CN110230567B - 捕能机构质量可调的波浪能发电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种捕能机构质量可调的波浪能发电装置，包括：基座；波能转换装置PTO，下端与基座固定连接；振荡浮体捕能机构，下端与波能转换装置PTO的上端固定连接；供水源，与振荡浮体捕能机构连接；控制系统，至少用于采集波浪频率、计算振荡浮体捕能机构的固有频率；振荡浮体捕能机构内设有质量调节装置，供水源与质量调节装置连接将海水输送至振荡浮体捕能机构内，控制系统通过对波浪频率与振荡浮体捕能机构的固有频率进行比较并控制海水进出振荡浮体捕能机构以改变振荡浮体捕能机构的质量从而改变其固有频率。本发明通过海水调整振荡浮体捕能机构的质量，进而改变其固有频率，使之与激励波浪的频率相匹配，从而增加波浪能装置的能量捕获。

Description

捕能机构质量可调的波浪能发电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种捕能机构质量可调的波浪能发电装置及其控制方法。

背景技术

波浪能由于储量巨大，具有很广阔的开发利用潜力，从20世纪60年代开始便有许多相关的研究陆续开展。到目前为止，根据欧洲海洋能中心的统计数据，不同类型的波浪能装置可以分为9类共200多种。其中绝大多数的波浪能装置都是通过刚性浮体振荡运动捕获波浪能。针对这种类型刚性浮体振荡运动的波浪能装置，捕能机构作为第一级环节，其运动响应对捕能效果有直接的影响。为了在较宽的频率范围内获得比较好的响应，通常可以对捕能机构的水动力学外形进行优化设计；或者通过波能转换装置(PTO)控制，调整对捕能机构产生的反作用力大小和方向，进而影响捕能机构的运动响应及其捕能效果。通过研究分析可知，捕能机构的质量分布对于其运动响应有着很大的影响，但目前针对质量调整的研究很少，专利CN201010614826.9给出一种变质量的捕能机构方案，但没考虑捕能机构内部水的晃动会对浮子响应的影响。专利CN201710117167.X给出一种变质量浮子系统，但对应的控制方法是对应波高信息而不是波浪频率信息进行的，且其所述的变质量的装置很笼统。

目前，在正常的海况中，激励波浪在一个较宽的频率范围内变化，但一般的波浪能装置的固有频率一定，只能在一个较窄的频率范围内有比较好的运动响应，捕能效果较差。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种捕能机构质量可调的波浪能发电装置，该发电装置根据预测的波浪信息，通过利用海水调整振荡浮体捕能机构的质量，进而改变其固有频率，使之与激励波浪的频率相匹配，从而保证在较宽的频率范围内捕能机构都有比较好的运动响应，增加波浪能装置的能量捕获。

本发明还提供了一种采用所述捕能机构质量可调的波浪能发电装置的控制方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种捕能机构质量可调的波浪能发电装置，包括：

基座，固定于海床上；

波能转换装置PTO，下端与基座固定连接；

振荡浮体捕能机构，下端与波能转换装置PTO的上端固定连接，振荡浮体捕能机构在波能转换装置PTO的作用下相对于基座上下振荡并通过波能转换装置PTO将波浪能转换为电能；

供水源，与振荡浮体捕能机构连接；以及，

控制系统，至少用于采集波浪频率、计算振荡浮体捕能机构的固有频率；

其中，所述振荡浮体捕能机构内设有质量调节装置，供水源与所述质量调节装置连接将海水输送至振荡浮体捕能机构内，所述控制系统通过对波浪频率与振荡浮体捕能机构的固有频率进行比较并控制海水进出振荡浮体捕能机构以改变振荡浮体捕能机构的质量从而改变其固有频率。

进一步地，所述波能转换装置PTO内设有两个相对运动的部件一和部件二，部件一与振荡浮体捕能机构固定连接，部件二与基座固定连接。

这种方案的原理在于：振荡浮体捕能机构在波浪作用下，相对基座上下振荡，由于波能转换装置PTO内部的相对运动的部件一和部件二分别与振荡浮体捕能机构和基座固定连接，进而将振荡浮体捕能机构相对固定基座运动的机械能转换为其他形式的能量，最后转换为电能输出；供水源通过将海水输送至振荡浮体捕能机构内部，进而改变振荡浮体捕能机构的质量，从而改变其运动响应；具体分析如下：

规则波激励下，振荡浮体捕能机构的动力学方程为：

其中m为振荡浮体捕能机构质量，A(ω)为附加质量，B为波能转换装置PTO等效阻尼，R(ω)为辐射阻尼，K为等效刚度，F_exc为波浪激励力，x、

分别为振荡浮体捕能机构的位移、速度和加速度。

由上述的方程可以得到，振荡浮体捕能机构的固有频率为：

通过改变振荡浮体捕能机构质量m，可以改变其固有频率ω₀，使ω₀与激励波浪的频率一致，从而使得振荡浮体捕能机构与激励波浪形成共振，增加运动响应幅度，从而增大能量捕获功率。

这种方案的优点在于：供水源可以通过就地取材将海水输送至振荡浮体捕能机构，来改变振荡浮体捕能机构的质量，从而改变其固有频率，以适应不同频率的波浪激励形成共振效果，使得在不同频率的波浪激励下振荡浮体捕能机构都能有较好的运动响应，从而增大波浪能的捕获功率。

作为一种优选，所述质量调节装置包括至少一个质量调节器，每个质量调节器各通过一调节器分管道连接到一总管道上，总管道的一端即各调节器分管道的交汇之处设有阀块一、总管道的另一端设有阀块二，所述阀块二将总管道的另一端分为进水管道和出水管道，每个调节器分管道上设有一个分管道电磁开关阀，出水管道上设有一个出水管道电磁开关阀，进水管道上设有进水口，出水管道上设有出水口，所述供水源与进水口连接。

进一步地，若质量调节器为1个，该质量调节器固定于振荡浮体捕能机构的中轴线上；若质量调节器为多个，多个质量调节器的规格相同并关于振荡浮体捕能机构的中轴线均布环绕固定于振荡浮体捕能机构内。

这种方案的优点在于，一组均匀布置的质量调节器保证了振荡浮体捕能机构静水平衡；每个质量调节器与单独的分管道电磁开关阀连接可实现由分管道电磁开关阀单独控制进出水；另有一个出水管道电磁开关阀与设置在出水管道上，控制质量调节装置总体出水；当振荡浮体捕能机构需要增加质量时，供水源通过柔性管道将海水输送至振荡浮体捕能机构的进水口，然后海水通过管道运输经过分管道电磁开关阀进入各质量调节器；当振荡浮体捕能机构需要减少质量时，同时打开出水口的出水管道电磁开关阀和质量调节器的分管道电磁开关阀，在质量调节器内部的弹簧作用下，将水从出水口排出。

作为一种优选，每个质量调节器包括:

密闭的蓄水缸，内部设有沿蓄水缸上下移动的活塞，所述活塞将蓄水缸分隔为下部的有水腔和上部的无水腔，有水腔和无水腔的容积通过活塞的上下移动而改变，调节器分管道与有水腔的底部连通；

弹簧，套设在活塞上并设置于无水腔内；以及，

位移传感器，固定于蓄水缸的顶部，用于检测活塞的位移信息。

这种方案的优点在于，当振荡浮体捕能机构增加质量时，水泵将水输送至质量调节器的有水腔，在水压的作用下，活塞克服弹簧的作用力向上移动，所以有水腔始终充满海水，并且有水腔的体积随着进入的海水的量变化，这样可以避免内部腔体没有充满海水而海水在内部产生振荡、进而影响振荡浮体捕能机构的整体运动响应；位移传感器检测活塞杆的位移进而可以获得每个质量调节器的进水量。

进一步地，所述供水源包括过滤器、水泵、溢流阀和单向阀，过滤器设置于水泵的进水端，溢流阀和单向阀均设置于水泵的出水端。海水通过过滤器进入水泵，水泵为水源提供动力，之后经过溢流阀和单向阀，溢流阀可以调整系统的压力，单向阀防止海水回流。

进一步地，所述控制系统包括控制器、波浪预测装置和驱动电路，波浪预测装置和各位移传感器均与控制器的输入端连接，驱动电路的输入端与控制器的输出端连接，水泵、各分管道电磁开关阀以及出水管道电磁开关阀均与驱动电路的输出端连接。更进一步地，所述控制器包括：

计算单元，其输入端与位移传感器的输出端连接，用于对位移传感器采集的活塞的位移信息进行计算得到振荡浮体捕能机构的固有频率；

比较单元，所述波浪预测装置的输出端和计算单元的输出端均与比较单元的输入端连接，所述比较单元用于对波浪预测装置采集的波浪频率与振荡浮体捕能机构的固有频率进行比较并输出比较结果；以及，

主控单元，所述比较单元的输出端与主控单元的输入端连接，驱动电路的输入端与主控单元的输出端连接，所述主控单元用于通过驱动电路控制水泵、各分管道电磁开关阀以及出水管道电磁开关阀的开启或关闭进而控制海水进出振荡浮体捕能机构以改变振荡浮体捕能机构的质量从而改变其固有频率。

这种方案的原理在于：所述波浪预测装置直接接收由气象台发布的未来一段时间的波浪的频率和波高等波浪信息，并将波浪信息输送至控制器，同时位移传感器将质量调节器活塞的位移信息输送至控制器，控制器通过位移传感器的位移信息计算得到振荡浮体捕能机构的质量进而计算得到其固有频率，并将波浪频率与固有频率进行比较，当波浪频率低于振荡浮体捕能机构的固有频率时，控制器输出响应的动作指令至驱动电路，启动水泵、打开各分管道电磁开关阀以及出水管道电磁开关阀，将海水输送至振荡浮体内的质量调节器，增加振荡浮体捕能机构的质量，直到振荡浮体捕能机构的固有频率与波浪频率一致；当波浪频率高于振荡浮体捕能机构的固有频率时，控制器输出响应的动作指令至驱动电路，关闭水泵、关闭各分管道电磁开关阀、打开出水管道电磁开关阀，在质量调节器内部的弹簧的作用下，质量调节器的活塞将海水从出水口排出至海洋中，减少振荡浮体捕能机构的质量，直到振荡浮体捕能机构的固有频率与波浪频率一致。

本发明还提供了一种采用上述所述的捕能机构质量可调的波浪能发电装置的控制方法，包括如下步骤：

S1、波浪预测装置采集未来一段时间的波浪信息并输送至控制器，其中，所述未来一段时间为至少1000个波周期的时间，同时，位移传感器采集活塞的位移信息并输送至控制器，控制器计算出振荡浮体捕能机构的固有频率；

S2、控制器对波浪频率和振荡浮体捕能机构的固有频率进行比较，当波浪频率低于振荡浮体捕能机构的固有频率时，执行步骤S3；当波浪频率高于振荡浮体捕能机构的固有频率时，执行步骤S4；

S3、控制器控制水泵启动、打开所有的分管道电磁开关阀以及关闭出水管道电磁开关阀，将海水输送至各质量调节器内，增加振荡浮体捕能机构的质量，直至振荡浮体捕能机构的固有频率与波浪频率一致；

S4、控制器控制水泵关闭、同时打开所有的分管道电磁开关阀和出水管道电磁开关阀，将各质量调节器的有水腔内的海水排出至海洋中，减少振荡浮体捕能机构的质量，直至振荡浮体捕能机构的固有频率与波浪频率一致。

进一步地，其特征在于，所述步骤S3中，将海水输送至各质量调节器内的具体步骤为：水泵的出水端通过柔性管道将海水输送至振荡浮体捕能机构的进水口，然后海水通过调节器分管道运输经过调节器电磁开关阀进入各质量调节器的有水腔内，在水压作用下，活塞克服弹簧的作用向上移动使得有水腔始终充满海水，有水腔的体积随海水的进入逐渐增大，此过程中，各位移传感器实时检测活塞的位移以获得对应的质量调节器的进水量；

所述步骤S4中，将各质量调节器的有水腔内的海水排出至海洋中的具体步骤为：在质量调节器内部的弹簧的作用下，有水腔内部的海水经由各分管道电磁开关阀和出水管道电磁开关阀从出水口排出，此过程中，各位移传感器实时检测活塞的位移以获得对应的各质量调节器的剩余水量。

本发明的有益效果是：

1、本发明根据预测的波浪信息，通过利用海水调整振荡浮体捕能机构的质量，进而改变其固有频率，使之与激励波浪的频率相匹配，从而保证在较宽的频率范围内捕能机构都有比较好的运动响应，增加波浪能装置的能量捕获。

2、当振荡浮体捕能机构增加质量时，本发明所述的质量调节装置的有水腔内始终充满海水，并且有水腔的体积随着进入的海水的量变化，避免了内部腔体没有充满海水而海水在内部产生振荡、进而影响振荡浮体捕能机构的整体运动响应。

3、本发明的质量调节属于一种慢调整控制方案，在增加波浪能捕获的同时，由于控制的执行机构在一段相对较长的时间内才动作一次，相比快调整控制方案，可以减少控制所消耗的能量。

4、本发明中，海水就地取材，环保且可以循环使用。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种捕能机构质量可调的波浪能发电装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例所述的振荡浮体捕能机构质量调节系统原理图。

图3为本发明实施例所述的振荡浮体捕能机构质量调节装置的立体结构示意图。

图4为本发明实施例所述的其中一个质量调节器的剖视图。

图5为本发明实施例所述的控制驱动系统的控制原理图。

图6为本发明实施例所述的驱动电路的电路示意图。

图7为本发明实施例所述的波能转换装置PTO内的相对运动部件的一种结构示意图。

图8为本发明实施例所述的波能转换装置PTO内的相对运动部件的另一种结构示意图。

图中，1-振荡浮体捕能机构，1.1、1.2、1.3、1.4-质量调节器，1.5、1.6、1.7、1.8、1.9-分管道电磁开关阀，1.10-阀块一，1.11-阀块二，1.12-进水口，1.13-出水口，1.14-总管道，1.1.1-蓄水缸，1.1.2-弹簧，1.1.3-活塞，1.1.4-有水腔，1.1.5-无水腔，1.1.6、1.2.6、1.3.6、1.4.6-位移传感器，2-波能转换装置PTO，2.1-部件一，2.2-部件二，3-基座，4-供水源，4.1-过滤器，4.2-水泵，4.3-溢流阀，4.4-单向阀，5-控制系统，5.1-控制器，5.2-波浪预测装置，5.3-驱动电路，5.1.1-计算单元，5.1.2-比较单元，5.1.3-主控单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例所述的一种捕能机构质量可调的波浪能发电装置，包括：基座3、波能转换装置PTO 2、振荡浮体捕能机构1、供水源4和控制系统5，所述基座3固定于海床上，所述波能转换装置PTO 2的下端与基座固定连接、上端与振荡浮体捕能机构1的下端固定连接，所述供水源4与控制系统5连接并受控制系统5的控制以实现开启或关闭，供水源4还通过柔性管道与振荡浮体捕能机构1连接以将供水源4抽取的海水进入振荡浮体捕能机构1内。

本实施例中，所述波能转换装置PTO 2内设有两个相对运动的部件一2.1和部件二2.2，部件一2.1与振荡浮体捕能机构1固定连接，部件二2.2与基座3固定连接。作为一种优选的实施例，所述部件一2.1和部件二2.2构成的装置可以为液压缸、直线发电机等，当为液压缸时，如图7所示，活塞杆和缸体是相对运动的两个部件，即活塞杆为部件一2.1，缸体为部件二2.2，那么，活塞杆与振荡浮体捕能机构1固定连接，缸体2.2与基座3固定连接；当为直线发电机时，如图8所示，直线发电机的定子和动子是相对运动的两个部件，即动子为部件一2.1，定子为部件二2.2，那么，动子与振荡浮体捕能机构1固定连接，定子与基座3固定连接。

本实施例改进最大的地方在于，所述振荡浮体捕能机构1内设有质量调节装置，供水源4与所述质量调节装置连接将海水输送至振荡浮体捕能机构1内，所述控制系统5通过对波浪频率与振荡浮体捕能机构的固有频率进行比较并控制海水进出振荡浮体捕能机构1以改变振荡浮体捕能机构1的质量从而改变其固有频率。

在波浪的作用下，振荡浮体捕能机构1相对基座3上下振荡，由于波能转换装置PTO2内部的相对运动的部件一2.1和部件二2.2分别与振荡浮体捕能机构1和基座3固定连接，进而将振荡浮体捕能机构相对固定基座运动的机械能转换为其他形式的能量，最后转换为电能输出。供水源4通过将海水输送至振荡浮体捕能机构1内部，进而改变振荡浮体捕能机构1的质量，从而改变其固有频率，以适应不同频率的波浪激励形成共振效果，使得在不同频率的波浪激励下振荡浮体捕能机构1都能有较好的运动响应，从而增大波浪能的捕获功率。

作为一种优选的实施例，如图2所示，所述供水源4包括过滤器4.1、水泵4.2、溢流阀4.3和单向阀4.4，过滤器4.1设置于水泵4.2的进水端，溢流阀4.3和单向阀4.4均设置于水泵4.1的出水端。海水通过过滤器4.1进入水泵4.2，水泵4.2为水源提供动力，之后经过溢流阀4.3和单向阀4.4，溢流阀4.3可以调整系统的压力，单向阀4.4防止海水回流。

作为一种优选的实施例，所述质量调节装置包括至少一个质量调节器，若质量调节器为1个，该质量调节器固定于振荡浮体捕能机构1的中轴线上，若质量调节器为多个，多个质量调节器的规格相同并关于振荡浮体捕能机1的中轴线均布环绕固定于振荡浮体捕能机构1内。每个质量调节器各通过一调节器分管道连接到一总管道上，总管道的一端即各调节器分管道的交汇之处设有阀块一、总管道的另一端设有阀块二，所述阀块二将总管道的另一端分为进水管道和出水管道，每个调节器分管道上设有一个分管道电磁开关阀，出水管道上设有一个出水管道电磁开关阀，进水管道上设有进水口，出水管道上设有出水口，所述供水源与进水口连接。本实施例以质量调节装置包括4个质量调节器为例进行说明，如图3所示，4个质量调节器分别为1.1、1.2、1.3、1.4，每个质量调节器各通过一调节器分管道连接到一总管道1.14上，总管道1.14的一端即各调节器分管道的交汇之处设有阀块一1.10、总管道的另一端设有阀块二1.11，所述阀块一1.10将总管道1.14的一端进行分流后分别连通各调节器分管道，所述阀块二1.11将总管道1.14的另一端分为进水管道和出水管道，质量调节器分别为1.1、1.2、1.3、1.4上各设有分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8，出水管道上设有一个出水管道电磁开关阀1.9，进水管道上设有进水口1.12，出水管道上设有出水口1.13，所述供水源4与进水口1.12连接。

进一步地，如图4所示，以质量调节器1.1为例进行说明，所述质量调节器1.1包括密闭的蓄水缸1.1.1、弹簧1.1.2和位移传感器1.1.6，所述蓄水缸1.1.1内部设有沿蓄水缸上下移动的活塞1.1.3，所述活塞1.1.3将蓄水缸1.1.1分隔为下部的有水腔1.1.4和上部的无水腔1.1.5，有水腔1.1.4和无水腔1.1.5的容积通过活塞1.1.3的上下移动而改变，调节器分管道与有水腔1.1.4的底部连通；所述弹簧1.1.2套设在活塞1.1.3上并设置于无水腔1.1.5内；所述位移传感器1.1.6固定于蓄水缸1.1.1的顶部，用于检测活塞1.1.3的位移信息。需要注意的是，本实施例优选所述弹簧1.1.2为机械弹簧，但对于其他类型的可提供弹性恢复力同时在过程中质量保持不变的机构也可作为替代方案，如气体弹簧。

一组均匀布置的质量调节器保证了振荡浮体捕能机构1静水平衡；各质量调节器1.1、1.2、1.3、1.4与单独的分管道电磁开关阀连接1.5、1.6、1.7、1.8可实现由分管道电磁开关阀单独控制进出水；另有一个出水管道电磁开关阀1.9与设置在出水管道上，控制质量调节装置总体出水；当振荡浮体捕能机构需要增加质量时，供水源4通过柔性管道将海水输送至振荡浮体捕能机构1的进水口，然后海水通过管道运输经过分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8进入各质量调节器1.1、1.2、1.3、1.4的有水腔，在水压的作用下，活塞克服弹簧的作用力向上移动，所以有水腔始终充满海水，并且有水腔的体积随着进入的海水的量变化，这样可以避免内部腔体没有充满海水而海水在内部产生振荡、进而影响振荡浮体捕能机构1的整体运动响应，位移传感器检测活塞杆的位移进而可以获得每个质量调节器1.1、1.2、1.3、1.4的进水量；当振荡浮体捕能机构1需要减少质量时，同时打开出水口的出水管道电磁开关阀1.9和各质量调节器的分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8，在质量调节器内部的弹簧作用下，有水腔内部海水经由分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8与出水管道电磁开关阀1.9从出水口1.13排出，位移传感器检测活塞杆的位移进而可以获得每个质量调节器1.1、1.2、1.3、1.4的剩余水量。

上述质量调节的过程需要控制系统5控制实现，如图5所示，所述控制系统5包括控制器5.1、波浪预测装置5.2和驱动电路5.3，所述控制器5.1采用STM32单片机芯片，所述波浪预测装置5.2直接接收气象台发布的未来一段时间的波浪信息，所述波浪信息至少包括频率和波高等，驱动电路5.3的电路图如图6所示，由于驱动电路5.3采用现有通用的电路，不是本发明的创新，故此不在赘述；波浪预测装置5.2和各位移传感器1.1.6、1.2.6、1.3.6、1.4.6均与控制器5.1的输入端连接，驱动电路5.3的输入端与控制器5.1的输出端连接，水泵4.2、各分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8以及出水管道电磁开关阀1.9均与驱动电路5.3的输出端连接。更进一步地，所述控制器5.1包括计算单元5.1.1、比较单元5.1.2和主控单元5.1.3，所述计算单元5.1.1的输入端与各位移传感器1.1.6、1.2.6、1.3.6、1.4.6的输出端连接，用于对位移传感器采集的活塞的位移信息进行计算得到振荡浮体捕能机构1的固有频率；所述波浪预测装置5.2的输出端和计算单元5.1.1的输出端均与比较单元5.1.2的输入端连接，所述比较单元5.1.2用于对波浪预测装置5.2采集的波浪频率与振荡浮体捕能机构1的固有频率进行比较并输出比较结果；所述比较单元5.1.2的输出端与主控单元5.1.3的输入端连接，驱动电路5.3的输入端与主控单元5.1.3的输出端连接，所述主控单元5.1.3用于通过驱动电路5.3控制水泵4.2、各分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8以及出水管道电磁开关阀1.9的开启或关闭进而控制海水进出振荡浮体捕能机构1以改变振荡浮体捕能机构1的质量从而改变其固有频率。

本实施例对采用上述所述的捕能机构质量可调的波浪能发电装置的控制方法进行说明，包括如下步骤：

S1、波浪预测装置5.2采集未来一段时间的波浪信息并输送至控制器5.1，其中，所述未来一段时间为至少1000个波周期的时间，取值范围为3-6小时，具体地，波浪预测装置5.2采集的未来一段时间的波浪信息包括频率和波高等，波浪信息输送至比较单元5.1.2内，同时，位移传感器采集活塞的位移信息并输送至控制器5.1，具体是输送至计算单元5.1.1内，并由计算单元5.1.1计算出振荡浮体捕能机构1的固有频率。

S2、控制器5.1对波浪频率和振荡浮体捕能机构1的固有频率进行比较，具体是通过比较单元5.1.2对波浪频率和振荡浮体捕能机构1的固有频率进行比较，当波浪频率低于振荡浮体捕能机构1的固有频率时，执行步骤S3；当波浪频率高于振荡浮体捕能机构1的固有频率时，执行步骤S4。

S3、控制器5.1通过驱动电路5.3控制水泵4.2启动、打开所有的分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8以及关闭出水管道电磁开关阀1.9，将海水输送至各质量调节器内，增加振荡浮体捕能机构1的质量，直至振荡浮体捕能机构1的固有频率与波浪频率一致。具体地，将海水输送至各质量调节器内的具体步骤为：水泵4.2的出水端通过柔性管道将海水输送至振荡浮体捕能机构1的进水口1.12，然后海水通过调节器分管道运输经过调节器电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8进入各质量调节器的有水腔内，在水压作用下，活塞克服弹簧的作用向上移动使得有水腔始终充满海水，有水腔的体积随海水的进入逐渐增大，此过程中，各位移传感器实时检测活塞的位移以获得对应的质量调节器的进水量。

S4、控制器5.1通过驱动电路5.3控制水泵4.2关闭、同时打开所有的分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8和出水管道电磁开关阀1.9，将各质量调节器的有水腔内的海水排出至海洋中，减少振荡浮体捕能机构1的质量，直至振荡浮体捕能机构1的固有频率与波浪频率一致。具体地，将各质量调节器的有水腔内的海水排出至海洋中的具体步骤为：在质量调节器内部的弹簧的作用下，有水腔内部的海水经由各分管道电磁开关阀1.5、1.6、1.7、1.8和出水管道电磁开关阀1.9从出水口1.13排出，此过程中，各位移传感器实时检测活塞的位移以获得对应的各质量调节器的剩余水量。

目前为止，波浪能装置的控制方案可以分为实时调整的快调整控制方案和在相对一段较长的时间跨度做一次调整的慢调整控制方案，本实施例所述的质量调整是根据未来一段较长的时间的波浪预测信息进行的一种慢调整控制。相比根据实时波浪信息的快调整控制方案，这种基于振荡浮体捕能机构质量的调整控制，既增加波浪能捕获，同时由于一段较长的时间进行一次控制，控制的执行机构的动作相对较少，减少控制所消耗能量。

需要注意的是，虽然如图1所示的实施方案是针对浮子式的波浪能发电装置，但是对于其他类型的振荡刚体捕能类型的波浪能发电装置，比如浮摆式的波浪能发电装置，上述的实施方案同样适用，同样只需要将质量调节装置安装到对应的捕能机构即可实现质量调节的功能。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用捕能机构质量可调的波浪能发电装置的控制方法，所述捕能机构质量可调的波浪能发电装置包括：

基座，固定于海床上；

波能转换装置PTO，下端与基座固定连接；

振荡浮体捕能机构，下端与波能转换装置PTO的上端固定连接，振荡浮体捕能机构在波能转换装置PTO的作用下相对于基座上下振荡并通过波能转换装置PTO将波浪能转换为电能；

供水源，与振荡浮体捕能机构连接；以及，

控制系统，至少用于采集波浪频率、计算振荡浮体捕能机构的固有频率；

其中，所述振荡浮体捕能机构内设有质量调节装置，供水源与所述质量调节装置连接将海水输送至振荡浮体捕能机构内，所述控制系统通过对波浪频率与振荡浮体捕能机构的固有频率进行比较并控制海水进出振荡浮体捕能机构以改变振荡浮体捕能机构的质量从而改变其固有频率；所述质量调节装置包括至少一个质量调节器，每个质量调节器各通过一调节器分管道连接到一总管道上，总管道的一端即各调节器分管道的交汇之处设有阀块一、总管道的另一端设有阀块二，所述阀块二将总管道的另一端分为进水管道和出水管道，每个调节器分管道上设有一个分管道电磁开关阀，出水管道上设有一个出水管道电磁开关阀，进水管道上设有进水口，出水管道上设有出水口，所述供水源与进水口连接；每个质量调节器包括：密闭的蓄水缸，内部设有沿蓄水缸上下移动的活塞，所述活塞将蓄水缸分隔为下部的有水腔和上部的无水腔，有水腔和无水腔的容积通过活塞的上下移动而改变，调节器分管道与有水腔的底部连通；弹簧，套设在活塞上并设置于无水腔内；以及，位移传感器，固定于蓄水缸的顶部，用于检测活塞的位移信息；

所述供水源包括过滤器、水泵、溢流阀和单向阀，过滤器设置于水泵的进水端，溢流阀和单向阀均设置于水泵的出水端；

所述控制系统包括控制器、波浪预测装置和驱动电路，波浪预测装置和各位移传感器均与控制器的输入端连接，驱动电路的输入端与控制器的输出端连接，水泵、各分管道电磁开关阀以及出水管道电磁开关阀均与驱动电路的输出端连接；

其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

S1、波浪预测装置采集未来一段时间的波浪信息并输送至控制器，其中，所述未来一段时间为至少1000个波周期的时间，同时，位移传感器采集活塞的位移信息并输送至控制器，控制器计算出振荡浮体捕能机构的固有频率；

S2、控制器对波浪频率和振荡浮体捕能机构的固有频率进行比较，当波浪频率低于振荡浮体捕能机构的固有频率时，执行步骤S3；当波浪频率高于振荡浮体捕能机构的固有频率时，执行步骤S4；

S3、控制器控制水泵启动、打开所有的分管道电磁开关阀以及关闭出水管道电磁开关阀，将海水输送至各质量调节器内，增加振荡浮体捕能机构的质量，直至振荡浮体捕能机构的固有频率与波浪频率一致；

S4、控制器控制水泵关闭、同时打开所有的分管道电磁开关阀和出水管道电磁开关阀，将各质量调节器的有水腔内的海水排出至海洋中，减少振荡浮体捕能机构的质量，直至振荡浮体捕能机构的固有频率与波浪频率一致。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述波能转换装置PTO内设有相对运动的部件一和部件二，部件一与振荡浮体捕能机构固定连接，部件二与基座固定连接。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，若质量调节器为1个，该质量调节器固定于振荡浮体捕能机构的中轴线上；若质量调节器为多个，多个质量调节器的规格相同并关于振荡浮体捕能机构的中轴线均布环绕固定于振荡浮体捕能机构内。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述控制器包括：

计算单元，其输入端与各位移传感器的输出端连接，用于对各位移传感器采集的活塞的位移信息进行计算得到振荡浮体捕能机构的固有频率；

比较单元，所述波浪预测装置的输出端和计算单元的输出端均与比较单元的输入端连接，所述比较单元用于对波浪预测装置采集的波浪频率与振荡浮体捕能机构的固有频率进行比较并输出比较结果；以及，

主控单元，所述比较单元的输出端与主控单元的输入端连接，驱动电路的输入端与主控单元的输出端连接，所述主控单元用于通过驱动电路控制水泵、各分管道电磁开关阀以及出水管道电磁开关阀的开启或关闭进而控制海水进出振荡浮体捕能机构以改变振荡浮体捕能机构的质量从而改变其固有频率。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，

所述步骤S3中，将海水输送至各质量调节器内的具体步骤为：水泵的出水端通过柔性管道将海水输送至振荡浮体捕能机构的进水口，然后海水通过调节器分管道运输经过调节器电磁开关阀进入各质量调节器的有水腔内，在水压作用下，活塞克服弹簧的作用向上移动使得有水腔始终充满海水，有水腔的体积随海水的进入逐渐增大，此过程中，各位移传感器实时检测活塞的位移以获得对应的质量调节器的进水量；

所述步骤S4中，将各质量调节器的有水腔内的海水排出至海洋中的具体步骤为：在质量调节器内部的弹簧的作用下，有水腔内部的海水经由各分管道电磁开关阀和出水管道电磁开关阀从出水口排出，此过程中，各位移传感器实时检测活塞的位移以获得对应的各质量调节器的剩余水量。

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