CN109973288B - 主动共振c式浮力摆波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，是一种完全浸没于水中的呈舱室状的波浪能发电装置，包括俘能系统、发电系统和筏式底座，俘能系统包括呈舱室状摆体，摆体内设置有自动质心调节装置，摆体固连于主轴，主轴与发电系统连接，主轴上还设置有用于测试摆体摆动的码盘，摆体两侧面平行，背波面是上大下小的两个同心圆弧，两圆弧之间采用螺旋线、渐开线及高阶曲线过渡，过渡曲线上外法线距主轴轴心的距离最小；迎波面是平面或内凹圆弧面或与背波面相同的曲面；发电系统包括链条、棘轮、换向轴、增速器、永磁发电机，发电系统内置于摆体舱室内或位于摆体外部。通过调节装置质心位置，实现摆体实时与波浪共振，实现波能高效转换。

Description

主动共振C式浮力摆波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及一种主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，具体为一种利用海上波浪能进行发电装置，属新能源技术领域。
背景技术
波浪能是海洋能的主要形式之一，是一种清洁可再生能源，便于利用，且蕴藏量大，分布广泛，能流密度较大。其中波浪能的利用是当今世界的研究热点，全球海洋强国都在开展这方面的研究，已提出4500多种技术方案，据2016年JRC Ocean Energy StatusReport，Attenuator/Point absorber/OWC/OWSC四类装置技术成熟度TRL达到8级，接近商业化。当前研究的技术成熟度主要体现波能装置布放、运维及输电等方面，但波浪能转换效率普遍不高，不超过15％。效率问题成为波能技术难以商业化的瓶颈。波浪能转换效率是波浪能技术研究的根本目的，研究高效波能技术是当前研究重点之一。波浪能技术发展至今，尚未成熟，技术仍不收敛的原因在于波能转换中的一些机理尚未厘清。就当前研究而言，多数波浪能技术方案是基于准静力方法提出的，而现在的研究多从工程应用出发，缺少机理性研究。
摆式波浪能技术是实践比较多的一种波能技术，是利用波浪中水质点做往复运动的特点实现波能转换，它是日本学者渡部富治首先提出的，并于1983年进行试验，据称效率能达40％。比较有影响的是英国Aqua-marine Power公司研制的Oyster波浪能装置，这款装置由于技术原因迟迟无法商业化导致公司于2015年底破产。该装置国内也有追踪研制，专利申请者也对该装置进行了研究，发现这款装置的附连质量大，造成装置自振周期长，远离实际波浪周期，摆处于随动状态，难以实现共振。而且该波能装置的辐射阻尼也非常大，造成波浪能转换效率低。直观的分析可认为，Oyster波浪能装置类似一个造波板，其吸收的波浪能基本被辐射出去。由此可见，Oyster波浪能装置的效率不高，这可能是该装置不能商业化的原因。同样，对Pelamis波浪能装置分析同样发现其附连质量和辐射阻尼都很大，效率不高，难以商业化，英国Pelamis Wave Power公司也于2014年破产。
Edinburgh大学Salter教授1974年提出的DUCK波浪能装置也可以归为摆式波浪能技术，该装置在共振状态，其效率可达90％，Salter在Nature期刊上介绍他的工作。他利用了辐射力过主轴轴心时辐射力矩为零这一性质，采用以水平圆筒作为装置的本体，以主轴轴线为支铰轴的方案。采用该方案，装置的辐射力矩大幅下降，其自振周期进入实际海浪周期范围，易发生共振，其辐射阻尼小，易于吸收波浪能。其迎波面上(鸭咀处)的外法向不过主轴轴心，仍有较大的辐射力矩，但辐射力小于入射力，可有效的吸收波浪能。DUCK装置必须在水面上工作，原因是鸭咀处的背面在水面以上不会产生辐射力矩，但在水中会产生较大的辐射力矩，不利于波浪能的吸收。由此带来致命的缺陷，DUCK需要巨大的支架，抗风浪的能力较弱，同时位于表面的俘能部件处会产生波浪破碎，增加大粘滞阻尼，对吸波不利。
中国科学院广州能源所提出的鹰式波浪能装置也可归为摆式，它吸取了DUCK装置的优点，在俘能部件的背波面采用了内凹的“圆筒”，以减少辐射力矩。这样处理带来的好处是“圆筒”的主轴可以降低至水下，克服了DUCK需要巨大支架的缺陷，抗风浪能力增强。但鹰式装置的迎波面还需进一步的研究，迎波面法向距支铰轴的距离加大，将增加迎波面上辐射力矩，不利于吸波，其迎波面于背波面交接处易产生涡脱，也不利于装置吸能，同样水面处会产生波浪破碎，增大粘滞阻尼，对吸波不利。
通过上述分析可知，现有波浪能利用装置存在：装置的附连质量过大带来的波能系统自振周期远高于实际波浪周期而难以发生共振问题，另一方面，附连阻尼过大，使得摆振幅较小，减小了波浪力对波能系统做功行程，从而较小了波浪能对波能系统的输入。
针对以上问题，有必要设计一种基于共振原理、采用主动共振波能技术的理论、以实现高效波能转换的波能装置。利用该装置可以克服现有浮力摆波浪能技术自振周期不可调的问题，可主动适应波浪变化形成共振；避免现有装置的附连质量过大带来的波能系统自振周期远高于实际波浪周期而难以发生共振，在实际海浪周期范围内实现共振；现有装置的附连阻尼过大，使得摆振幅较小，减小了波浪力对波能系统做功行程，从而减小了波浪能对波能系统的输入；还通过对装置外形的辐射水动力学特性优化，有效的减小辐射阻尼，实现高效波能转换。
发明内容
本发明针对背景技术所述问题，设计一种主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，是一种高效的波浪能发电装置；通过调节装置质心位置，实现对波能系统自振周期的控制，适应波浪变化，实时与波浪发生共振，实现高效波能利用；利用共振，通过减小辐射阻尼，粘滞阻尼，增大入射波能，有效地提高装置的吸波能力，通过共振，对PTO最佳阻尼的控制，实现波能最大摄取。所述装置常态下沉没于水下工作，可有效的抗击风浪，提高其生存能力。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，包括：俘能系统、发电系统、筏式底座；所述俘能系统用于俘获波浪能，再转换为机械能，并通过主轴传递给发电系统进行发电，所述发电系统和俘能系统安装筏式底座上。
浮力摆式波能装置是一种被广泛实践的波能装置，通常情况下，它是一种单自由度振动系统，在波浪的驱动下，其摆体绕着定轴旋转将波浪能转换为机械能，通过摆体的旋转运动带动支撑轴旋转运动，再通过内置的或者外置的能量摄取系统(PTO，Power TakeOff)，利用装置的旋转运动带动发电机实现发电，将旋转的机械能转化为电能。
评判波能装置的指标是其效率、生存能力和运维性能，传统的波能装置(包括浮力摆波能装置)效率都不高，不超过15％。通过研究可以发现传统的浮力摆波能装置自振周期较大，远离实际海浪的周期；辐射力较大，不利于波能装置吸收波能，易被水“控制”，从而俘能效率低下。
为了提高波能装置的效率，对波能转换机理进行研究，对于摆式波能装置的工作原理而言，它是利用振动截获波能，振动系统吸收能量的最佳方式是让系统共振，因此波能系统共振是其唯一提高波能效率的途径；基于共振原理、依据波能装置辐射特性提出实现共振的方法、利用共振时振动系统特性提出了主动共振C式浮力摆波浪能发电装置；其特征在于：
1.主动共振C式浮力摆波浪能发电装置的自振周期调节方法和控制模型
在波能系统中，摆体是一个振子，即摆振子，摆体的质心位置决定了摆体的回复刚度，从而影响摆振子自振周期。基于此，主动共振C式浮力摆波能装置在其摆体内设置可以调节质心的配重块，根据波浪的周期，调整配重的位置，从而改变摆振子的回复刚度，实现波能装置的自振周期调节，形成与波的实时共振。
其配重质心调节公式为：
Figure GDA0002486478440000031
其中ω为波浪圆频率，Ff为浮力，yf为浮心距主轴垂向距离，M1为摆体质量，y1为摆体质心距主轴垂向距离，M2为配重质量，x2为配重质心距主轴的水平距离，y2为配重质心距主轴垂向距离，lw为摆体纵摇附连转动惯量，l1为摆体绕主轴转动惯量，l21为配重绕其质心的转动惯量，
Figure GDA0002486478440000032
为配重绕主轴的转动惯量。
在联接摆体的主轴上设置有码盘，所述码盘用于测试摆体摆动的信号，对所测试的摆动信号，采用荷载识别方法，识别波浪周期及波激力。再依据识别的波浪周期实时调整摆体的自振周期，实现摆体与波的共振；依据识别的波激力和波浪周期控制摄能系统的发电功率。
2.降低主动共振C式浮力摆波浪能发电装置辐射力的设计方法
一般浮力摆波能装置的摆结构是一类似于板的结构，例如Oyster波浪能装置。对于波能装置而言，这种结构的辐射特性较差，其辐射能量很大，该结构的附连质量和附连阻尼都较大。附连质量直接影响系统的自振周期，附连质量较大时，其自振周期较长，使得振动系统在实际海况下难以共振，且因其自振周期较长，摆体趋于惯性特征。附连阻尼较大时，一方面是俘获的能量被辐射出去的较多，另一方面，减小了系统的振动幅度，从而减小波浪力做功行程，减小波浪能的输入，实则降低波能系统吸能能力。因此这种摆体结构一边俘获波能，一边类似造波板一样将能量又辐射出去，难以高效摄取其俘获的波能。
附连质量和附连阻尼所产生的力实际上是辐射力，附连质量和附连阻尼则为描述俘体的辐射水动力学特性的参数。对于波能装置，其优良的辐射特性是非常重要的，主要表现在波能装置的辐射力应尽量地小。为此，提出了C式波能装置外形的设计方法，以减小浮力摆的辐射，设定摆体的支撑轴为主轴，所述主轴轴心的两端为支铰点，其摆体外形应满足其法线法向与支铰点的垂直距离尽可能的小，保证辐射力对摆体作用力矩尽可能的小。过支铰点的同心圆上各点的法线均过圆心，其上辐射力对摆体的矩为零，是最为理想的减少辐射的形状。如果摆体结构是一个同心圆的圆筒，这样结构尽管辐射最小，但波能入射也很小，同样得不到很好的波能转换效率。为此提出减小摆体的背波面辐射的设计方法，该方法为：摆体顶部采用一个大圆，底部采用一个小圆，两圆与主轴同心，两圆之间采用螺旋线、渐开线及高阶曲线过渡，以过渡曲线上外法线距主轴轴心的距离最小为优化目标。这样设计得到的摆体背波面可有效地减少摆体的辐射，可以得到效率最优的波能装置形式。优化得到的摆体背波面形状像“C”字，故对本发明波能装置取名主动共振C式浮力摆波浪能装置。
3.最大入射波能的形状设计
波能装置设计目标就是获取最大的波能，因此需要对摆体的迎波面进行设计。波浪的入射的力有两种形式：波浪主干扰力(F-K力)和波浪绕射力。F-K力为面力，绕射力为体力。针对其形式不同，本发明提出三种迎波面形式。
(1)平面形式
F-K力入射波的势函数及物体表面法向有关。迎波面设计时，为了获得最大入射波，将入射波势函数的最大梯度方向与迎波面的法向设计为一致，有利于波的入射。
波是一个动态过程，其势函数在每个时刻都不相同，无法满足迎波面法向时刻与入射波势函数的最大梯度方向一致。为此设计F-K力最大时刻与波面的法向一致达到最大吸收波能的目的。振动系统在共振状态时其位移与激励有相差π/2的特征，即摆在平衡位置时波处于波峰和波谷，此时波的势函数的最大梯度方向为水平方向。利用这一点，将迎波面设计成平面形式，在平衡位置时，该平面的法向为水平向，可以获得最大的F-K力，有利于波能入射。
采用平面形式的迎波面将造成较大辐射，对波能装置俘获波能不利。入射波势函数的最大梯度方向与迎波面的法向一致这一要求表明F-K力和辐射力方向在同一直线上，若F-K力大于辐射力，系统可以俘获波浪能。入射的波浪能与入射的波激力幅值成平方关系，尽管平面形式造成辐射较大，但入射波能更大，这种设计可有效提高波能俘获效率。
(2)内凹圆弧形式
其原理同上，采用这种方式主要考虑入射波势函数的最大梯度方向的平均值。这种迎波面同样存在辐射较大的缺点，但入射波能较大，可以保证俘获波能的效率。
(3)对称形式
对称形式是迎波面形式与背波面形式相同，这种迎波面形式的摆主要利用波浪的绕射力俘获波能。尽管该迎波面上的F-K力较前两个形式的小，但其绕射力增加约2倍，且辐射力大幅减小。因此俘获波能的效率仍很高。
4.发电系统
主动共振C式浮力摆波浪能发电装置的发电系统可以内置于摆体形成的舱室内，也可布置在摆体外用传动轴联接。在波浪的驱动下，摆体带动传动轴往复转动，通过链条和棘轮机构，将往复转动转换成单向旋转运动，并利用增速机构将旋转速度提高，再带动永磁发电机实现发电。在采用外置式发电系统时，需用支座将摆与发电系统相对位置固定。
5.运行形式
为了减小波破碎带来的粘滞阻尼、增加迎波面积和便于控制及提高波能装置抗风浪能力， C式波能装置是完全浸没于水中工作。当然在低潮位时也可露出水面工作，但需增加平衡控制系统。
本发明技术方案提出的主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，是采用主动共振波能技术理论研究得到的。主动共振波能技术主要思想是主动调节波能系统的自振周期适应波浪，使波能系统处于共振状态；降低装置辐射力以增加装置的吸波能力；增加波浪能入射力；采用共振时最佳摄能系统(PTO)阻尼。针对浮力摆的特点，提出通过调节装置质心位置，改变回复刚度，实现对波能系统自振周期的控制，从而可通过对波能系统的自振周期控制以适应波浪实时产生共振。对主动共振C式浮力摆波能装置的迎波面和背波面采用不同的设计方案。背波面采用同心圆筒，利用圆筒的辐射力过主轴轴心时产生的辐射力矩为零的性质，有效降低辐射力矩。为了便于将装置布置在水面以下，增加抗击风浪能力和增加迎波面积以及便于控制，并有效降低摆体的辐射力矩，C装置上部采用大直径的圆筒，下部采用小直径的圆筒，大小圆筒之间采用螺旋线和高次拟合曲线进行连接，控制连接线的目标函数是曲面外法线距主轴轴心的距离最小，以降低辐射力矩。迎波面以入射波能最大为目标，利用势流理论给出的F-K 力和绕射力最大作为迎波面设计依据。为了减小波破碎带来的粘滞阻尼及提高波能装置抗风浪能力，C装置是完全浸没于水中工作，以保证摆体水位线不随潮位、摆体摆动及波浪起伏改变，浮力和浮心不变，纵摇附连转动惯量特性不变，实现对共振精准控制；保证摆体工作时不造成波浪破碎，大幅减小粘滞阻尼。当然在低潮位时也可露出水面工作，但需增加平衡控制系统。
本发明可带来的有益效果是：
⑴可实时实现俘能的摆振动系统共振，实现高效波能俘获。
⑵优良的辐射水动力学特性，有效减小了波能装置辐射能量，并保证了波能装置的吸波性能，同时保证了俘能振动系统的自振周期可控制在设计海浪周期范围，保证系统实现共振。
⑶保证了F-K力或绕射力的入射，有效的提高了入射波能俘获。
⑷实现了将往复转动转换成旋转运动，从而保证了永磁发电机的效率。
⑸C式波能装置的所有活动部件均在摆体和发电系统的密封舱内，与海水不接触，有效的提高了抗腐蚀的能力。
⑹波能装置工作与水面以下，抗击风浪能力强。
附图说明
图1是为本发明“主动共振C式浮力摆波浪能发电装置”组成示意图；
图2为图1之内部结构组成示意图；
图3为背波面优化曲线计算示意图；
图4为摆体剖面轮廓示意图之一；
图5为摆体剖面轮廓示意图之二；
图6为摆体剖面轮廓示意图之三。
附图中的标记说明：1—摆体，2—轴承座，3—筏式底座，4—主传动轴，6—发电系统， 8—横加强筋，10—竖加强筋，11—质心调节电机，12—稳定导杆，13—质心调节丝杠，14 —配重块，16—动力输入轴，17—主动链轮，18—链条，19—换向轴，20—发电机主轴，21—增速器，22—永磁发电机。
具体实施方式
以下结合本发明所属附图，进一步细致描述本发明，以便本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明的方案。但并不因此限制本发明的保护范围，对本发明做出的各种改动等都属于所附权利要求书所限定的范围。
参见附图1、附图2所示，本发明主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，包括：俘能系统、发电系统6、筏式底座3，所述发电系统6和俘能系统安装筏式底座上；所述俘能系统用于俘获波浪能，再转换为机械能，并通过主轴传递给发电系统进行发电。俘能系统包括：摆体1，所述摆体1呈密闭状舱室结构，摆体1两侧面之间固连有主轴4，摆体1以主轴4为中心旋转摆动，所述主轴4通过轴承座2安装在筏式底座3上，主轴4的一端通过联轴器与发电系统6的动力输入轴16连接。
摆体1两侧面是相互平行的垂直面，连接在两侧面之间的摆体外部是按设定形状构成的迎波面和背波面，摆体1的内部设置有横加强筋8和竖加强筋10，还设置有：可以调节质心的配重块14、质心调节电机11、稳定导杆12、质心调节丝杠13，所述配重块14呈长方体状，配重块14下部设置有升降平台，所述升降平台与质心调节丝杠13固连，升降平台的四角设置有通孔，所述通孔与稳定导杆12滑动配合，所述质心调节电机11用于驱动质心调节丝杠 13旋转，质心调节丝杠13带动配重块升降，配重块14根据波浪的周期，调整配重的位置，从而改变摆振子的回复刚度，实现波能装置的自振周期调节，形成共振。
所述发电系统6包括：二个主动链轮17、二根链条18、换向轴19、发电机主轴20、增速器21和永磁发电机22。所述二个主动链轮17设置为棘轮机构，主动链轮17安装在动力输入轴16上，其中一个主动链轮通过链条18驱动发电机主轴20，另一个主动链轮通过链条驱动换向轴19，所述换向轴19再通过齿轮对驱动发电机主轴20，所述发电机主轴20与增速器21输入端连接，增速器21输出端与永磁发电机22输入轴连接。在波浪的驱动下，摆体1 带动主轴4往复转动，通过链条和棘轮机构，将往复转动转换成单向旋转运动，并利用增速器21将旋转速度提高，再带动永磁发电机22实现发电。
为了减小波破碎带来的粘滞阻尼及提高波能装置抗风浪能力，本发明浮力摆波浪能发电装置完全浸没于水中工作，当然在低潮位时也可露出水面工作，但需增加平衡控制系统。
作为本发明实施例的另一种方式，所述发电系统6或者是内置于摆体1形成的舱室内部。
参考图3，本发明所提出的减小摆的背波面辐射的设计方法是：摆顶部采用一个大圆，底部采用一个小圆，两圆与主轴同心，两圆之间采用螺旋线、渐开线及高阶曲线过渡，以过渡曲线上外法线距主轴轴心距最小为优化目标。这样设计得到的摆背波面可有效地减少摆的辐射，可以得到效率最优的波能装置形式。优化得到的摆背波面形状像C字，故对本发明波能装置取名主动共振C式浮力摆波浪能装置。
图3中，背波面截面外形如第一、第四象限中曲线所示，其中位于上部的曲线是半径为 R的大圆弧，位于下部的曲线是半径为r的小圆弧，大圆弧与小圆弧之间的各段曲线之x、y 值，按如下目标函数计算：
Figure GDA0002486478440000081
上式中，h表示过渡曲线上外法线距主轴轴心距，
Figure GDA0002486478440000082
θ1,θ2为设计变量，a,b,c,d,e,f,g,v 为参量，
Figure GDA0002486478440000083
θ∈[π/2,π]θ1，θ2∈[0,π/36]。其中各分段的约束条件分别如下：
Figure GDA0002486478440000084
Figure GDA0002486478440000085
Figure GDA0002486478440000086
Figure GDA0002486478440000087
ex2+fx+gy2+hy+1＝0 (θ-θ1≤β≤θ+θ2)
x2+y2＝r2 (θ+θ2≤β≤π)
Figure GDA0002486478440000088
Figure GDA0002486478440000089
Figure GDA00024864784400000810
x1/y1＝(2ax1+b)/(2cy1+d)
Figure GDA00024864784400000811
Figure GDA00024864784400000812
Figure GDA00024864784400000813
x3＝ρ(θ-θ1)sin(θ-θ1)
y3＝ρ(θ-θ1)cos(θ-θ1)
Figure GDA00024864784400000814
x4＝rsin(θ+θ2)
y4＝rcos(θ+θ2)
Figure GDA00024864784400000815
x4/y4＝(2ex4+f)/(2gy4+h)
参考图4～图6，为本发明实施例之摆体1之迎波面的三种不同结构形式，其中图4为平面形式的摆体、图5为内凹圆弧形式的摆体、图6为与背波面形式相同形式的摆体，图4～6 中所标示的R值是指该处半径值，单位为mm，图4和图5中，迎波面曲线与位于底部的小圆弧相切，与位于顶部的大圆弧相交，且相交处倒圆角。
采用图4平面形式的摆体时，迎波面为了获得最大入射波，将入射波势函数的最大梯度方向与迎波面的法向设计为一致，有利于波的入射。
由于波是一个动态过程，其势函数在每个时刻都不相同，无法满足迎波面法向时刻与入射波势函数的最大梯度方向一致。公知的波浪入射的力有两种形式：波浪主干扰力(F-K力) 和波浪绕射力，其中F-K力为面力，绕射力为体力。为保证最大效率的波能转换，优化的设计方案应该是：以F-K力最大时刻与波面的法向一致达到最大吸收波能为目的。振动系统在共振状态时其位移与激励有相差π/2的特征，即摆在平衡位置时波处于波峰和波谷，此时波的势函数的最大梯度方向为水平方向。利用这一点，将迎波面设计成平面形式，在平衡位置时，该平面的法向为水平向，可以获得最大的F-K力，有利于波能入射。
采用平面形式的迎波面将造成较大辐射，对波能装置俘获波能不利。入射波势函数的最大梯度方向与迎波面的法向一致这一要求表明F-K力和辐射力方向在同一直线上，若F-K力大于辐射力，系统可以俘获波浪能。入射的波浪能与入射的波激力幅值成平方关系，尽管平面形式造成辐射较大，但入射波能更大，这种设计可有效提高波能俘获效率。
采用图5所示内凹圆弧形式的摆体时，其原理与图3相同，主要考虑入射波势函数的最大梯度方向的平均值。这种迎波面同样存在辐射较大的缺点，但入射波能较大，可以保证俘获波能的效率。
采用图6所示对称形式的摆体时，主要利用波浪的绕射力俘获波能。尽管该迎波面上的 F-K力较前两个形式的小，但其绕射力增加约2倍，且辐射力大幅减小，因此俘获波能的效率仍很高。
本发明主动共振C式浮力摆波浪能发电装置的自振周期调节方法和调节模型设计依据如下：
摆体的质心位置决定了摆体的回复力矩刚度，从而影响摆振子的自振周期。基于此，C 式波能装置在其摆体内设置可以调节质心的配重块，根据波浪的周期，调整配重的位置，从而改变摆振子的回复刚度，实现波能装置的自振周期调节，形成共振。
其配重质心调节公式为：
Figure GDA0002486478440000091
其中ω为波浪圆频率，Ff为浮力，yf为浮心距主轴垂向距离，M1为摆体质量，y1为摆体质心距主轴垂向距离，M2为配重质量，x2为配重质心距主轴的水平距离，y2为配重质心距主轴垂向距离，lw为摆体纵摇附连转动惯量，l1为摆体绕主轴转动惯量，l21为配重绕其质心的转动惯量，
Figure GDA0002486478440000092
为配重绕主轴的转动惯量。
在联接摆体的主轴上设置有码盘，测试摆体摆动的信号。对测试的摆动信号，采用荷载识别方法，识别波浪周期及波激力，为波能装置控制提供依据，从而实现根据实际波浪情况，实时调整摆振子的自振周期，实时共振。
降低主动共振C式浮力摆波浪能发电装置辐射力的设计方法是：
一般浮力摆波能装置的摆结构是一类似于板的结构，例如Oyster波浪能装置。对于波能装置而言，这种结构的辐射特性较差，其辐射能量很大，该结构的附连质量和附连阻尼都较大。附连质量直接影响系统的自振周期，附连质量较大时，其自振周期较长，使得振动系统在实际海况下难以共振，且因其自振周期较长，摆体趋于惯性特征。附连阻尼较大时，一方面是俘获的能量被辐射出去的较多，另一方面，减小了系统的振动幅度，从而减小波浪力做功行程，减小波浪能的输入，实则降低波能系统吸能能力。因此这种摆结构一边俘获波能，一边类似造波板一样将能量又辐射出去，难以摄取其俘获的波能。
附连质量和附连阻尼所产生的力实际上是辐射力，附连质量和附连阻尼则为描述俘体的辐射水动力学特性的参数。对于波能装置，其优良的辐射特性是非常重要的，主要表现在波能装置的辐射力应较小。为此，提出了C式波能装置外形的设计方法。为了减小浮力摆的辐射，其摆外形应满足其法线法向与主轴轴心的垂直距离尽可能的小，保证辐射力对摆作用力矩尽可能的小。过主轴轴心的同心圆上各点的法线均过圆心，其上辐射力对摆的矩为零，是最为理想的减少辐射的形状。如果摆结构是一个同心圆的圆筒，这样结构尽管辐射最小，但波能入射也很小，同样得不到很好的波能转换效率。为此提出减小摆的背波面辐射的设计方法，该方法为：摆顶部采用一个大圆，底部采用一个小圆，两圆与主轴同心，两圆之间采用螺旋线、渐开线及高阶曲线过渡，以过渡曲线上外法线距主轴轴心距最小为优化目标。这样设计得到的摆背波面可有效地减少摆的辐射，可以得到效率最优的波能装置形式。优化得到的摆背波面形状像“C”字，故对本发明波能装置取名主动共振C式浮力摆波浪能装置。
本发明技术方案中，按最大入射波能的形状设计，其目标就是获取最大的波能，并针对波浪的入射力不同形式，设计如图3～图5三种不同形状的摆体结构。
本发明技术方案提出的主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，是采用主动共振波能技术理论研究得到的。主动共振波能技术主要思想是主动调节波能系统的自振周期适应波浪，使波能系统处于共振状态；降低装置辐射力以增加装置的吸波能力；增加波浪能入射力；采用共振时最佳摄能系统(PTO)阻尼。针对浮力摆的特点，提出通过调节装置质心位置，改变回复刚度，实现对波能系统自振周期的控制，从而可通过对波能系统的自振周期控制以适应波浪实时产生共振。对主动共振C式浮力摆波能装置的迎波面和背波面采用不同的设计方案。背波面采用同心圆筒，利用圆筒的辐射力过主轴轴心时产生的辐射力矩为零的性质，有效降低辐射力矩。为了便于将装置布置在水面以下，增加抗击风浪能力和增加迎波面面积以及便于控制，并有效降低摆体的辐射力矩，C装置上部采用大直径的圆筒，下部采用小直径的圆筒，大小圆筒之间采用螺旋线和高次拟合曲线进行连接，控制连接线的目标函数是曲面外法线距主轴轴心的距离最小，以降低辐射力矩。迎波面以入射波能最大为目标，利用势流理论给出的F-K力和绕射力最大作为迎波面设计依据。为了减小波破碎带来的粘滞阻尼和增加迎波面面积及提高波能装置抗风浪能力，C装置是完全浸没于水中工作，当然在低潮位时也可露出水面工作，但需增加平衡控制系统。
采用本发明“主动共振C式浮力摆波浪能发电装置”，可实时实现俘能的摆振动系统共振，实现高效波能俘获。该装置优良的辐射水动力学特性，有效减小了波能装置辐射能量，并保证了波能装置的吸波性能，同时保证了俘能振动系统的自振周期可控制在设计海浪周期范围，保证系统实现共振。保证了F-K力或绕射力的入射，有效的提高了入射波能俘获。实现了将往复转动转换成旋转运动，从而保证了永磁发电机的效率。C式波能装置的所有活动部件均在摆体和发电系统的密封舱内，与海水不接触，有效的提高了抗腐蚀的能力。波能装置工作与水面以下，抗击风浪能力强。
经测算，本发明主动共振C式浮力摆波浪能发电装置在实际运行时的转换效率≥57％，并且还有进一步提高与改进的潜力。
具体实施时，发电系统及筏式支座事先分别单独安装。然后在施工现场先将筏式支座固定在半潜船上，然后再安装摆体和发电系统。先对波能装置工作场地进行水下平整，然后用半潜船将装置运至工作场地，安置波能装置，利用发电装置的筏式支座作为基础，并锚定筏式基础。设计时要求整个装置的自重要远大于其浮力，提高装置的抗漂移能力。
在摆体内设置传感器监测摆的运动参数，并通过荷载识别技术实时识别波浪力的周期和幅值，为摆体自振周期和发电机摄取能量控制提供参数。
本发明主动共振C式浮力摆波浪能发电装置可有多种用途，其中三种用途分别如下：
1.为海岛及沿海区域提供电能
在波浪能资源丰富的海域或海岛布置主动共振C式浮力摆波浪能发电装置可为沿海地区和海岛提供能源供给，改善其能源结构。尤其是海岛，其周围波浪能资源丰富，并且海岛电力资源匮乏。采用阵列形式将C式波能装置布放在指定海域的海床上，通过海上电缆将电能输送至岸上并入电网或微型电网。
2.与海岸堤防联合使用，通过波能吸收实现消波有效地保护海堤
在距岸数百米的海域内，成排布置C式波浪能装置。该装置可高效吸收波能，将其转换为电能，再通过电缆输送到岸上电网或微电网。通过主动共振C式浮力摆波能装置将海浪能量吸收后，可有效减小波能，实现消波，进而减小海浪对堤岸的冲刷，使堤防的安全等级提高。这种应用可一举两得。
3.为远海勘探、采矿和养殖及仪器提供能源
远海勘探、采矿和养殖及仪器获得能源较为困难，但其波浪能资源非常丰富，可利用主动共振C式浮力摆波浪能装置将波浪能转换为电能，为这些海上活动提供能源。由于远海处的海深较深，无法利用坐床方式安装C式波浪能装置。可将C式波浪能装置与半潜驳技术结合在一起实现深海波能利用。将C式波能装置安放在一个特制的半潜驳上，用拖船见其拖至指定海域，采用系泊系统将半潜驳泊定与指定海域处，再用电缆将波能装置生产的能源提供给相应的设施和设备。

Claims (7)

1.主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，包括：俘能系统、主轴、发电系统、筏式底座，所述发电系统和俘能系统安装筏式底座上；所述俘能系统用于俘获波浪能，再转换为机械能，并通过主轴传递给发电系统进行发电；俘能系统包括摆体，所述摆体呈密闭状舱室结构，舱室内设置有摆体质心调节机构，摆体两侧面是相互平行的垂直面，摆体两侧面之间与主轴固连，所述主轴通过轴承座安装在筏式底座上，设定：主轴轴心的两端为支铰点，摆体以该支铰点为中心旋转摆动，主轴的一端通过联轴器与发电系统的动力输入轴连接；
所述发电系统包括：链轮链条传动机构、增速器和永磁发电机；摆体两侧面之间舱室的外部是按设定形状构成的迎波面和背波面，所述摆体质心调节机构包括：配重、质心调节电机、稳定导杆、质心调节丝杠；所述质心调节电机用于驱动质心调节丝杠旋转，质心调节丝杠带动配重按设定程序升降，进而实时调节摆体的回复刚度，实现振动系统的自振周期调整；
所述摆体的主轴上设置有码盘，所述码盘用于测试摆体摆动的信号，再采用荷载识别方法，识别波浪周期及波激力，并依据识别的波浪周期实时调整摆体的自振周期，实现摆体与波浪的共振，其特征在于：
所述摆体的两侧面之间设置有迎波面和背波面，所述迎波面按波的入射设定为三种类型，即:平面形式、内凹圆弧形式、对称形式；所述背波面按：辐射力力臂最小、绕射力最大的要求设定外形，背波面的剖面形状为上大下小。
2.如权利要求1所述主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，其特征在于：采用所述配重调节质心的公式为：
Figure FDA0002486478430000011
公式中：ω为波浪圆频率，Ff为浮力，yf为浮心距主轴垂向距离，M1为摆体质量，y1为摆体质心距主轴的垂向距离，M2为配重质量，x2为配重质心距主轴的水平距离，y2为配重质心距主轴垂向距离，Iw为摆体纵摇附连转动惯量，I1为摆体绕主轴转动惯量，I21为配重绕其质心的转动惯量，
Figure FDA0002486478430000012
为配重绕主轴的转动惯量。
3.如权利要求1所述主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，其特征在于：所述摆体背波面的顶部呈大圆弧状、底部呈小圆弧状；所述大圆弧和小圆弧均以主轴为圆心，大圆弧和小圆弧之间采用螺旋线、渐开线及高阶曲线过渡，过渡曲线上外法线距主轴轴心的距离最小。
4.如权利要求3所述主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，其特征在于：所述摆体迎波面设置为平面，此时，迎波面曲线与背波面位于底部的小圆弧相切，与位于顶部的大圆弧相交，相交处倒圆角。
5.如权利要求3或4所述主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，其特征在于：所述摆体迎波面设置为内凹圆弧面，此时，迎波面曲线与背波面位于底部的小圆弧相切，与位于顶部的大圆弧相交，相交处倒圆角。
6.如权利要求1所述主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，其特征在于：所述摆体迎波面设置为与背波面相同的镜像面。
7.如权利要求1所述主动共振C式浮力摆波浪能发电装置，其特征在于：所述摆体在工作时完全浸没于水中。
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