CN110259631B - 一种筏式波浪能发电装置及控制方法 - Google Patents

一种筏式波浪能发电装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及能源采集系统，尤其涉及一种筏式波浪能发电装置及控制方法，该装置包括若干个筏体、液压传动组件、发电组件、智能控制组件；液压传动组件包括设置在相邻筏体之间的若干个液压缸，每个液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过介质管路与相应的换向阀的输入端A连接，每个换向阀的输出端均包括高压端P和低压端O，智能控制组件控制所有液压缸的无杆腔和有杆腔中因运动产生的高压腔与高压端P连接，低压腔与低压端O连接，发电组件设置在所有高压端P交点和所有低压端O交点之间的介质管路上，高压腔内的压力传导介质始终经过发电组件流入到低压腔内。该发明的优点在于：可以适用于不同的波浪情况，且在常规额定周期的情况下能提高能源的利用率。

Description

一种筏式波浪能发电装置及控制方法
技术领域
本发明涉及能源采集系统，尤其涉及一种筏式波浪能发电装置及控制方法。
背景技术
近年来随着对化石能源利用的限制日趋紧张，环境保护的要求日趋严格，人们对新能源的开发和利用越来越重视。地球表面积的71％是海洋，海水蕴藏着巨大的能源资源，主要表现为潮汐能、海流能、波浪能、海水温差和海水温差能等。而波浪能是海洋能源中最为丰富的能源之一。据估计波浪中蕴藏的能量约为2.11TW，若考虑近岸波浪破碎和海底摩擦所造成的能量损耗，全球波浪能输入数量级要比其蕴藏量更高，大概接近当前世界能量消耗量。利用波浪能技术为边远海岛就地解决部分甚至是全部能源需求具有重要的经济和战略意义。
发明内容
为了提高波浪能的利用率，为此，本发明提供一种筏式波浪能发电装置及控制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种筏式波浪能发电装置，包括若干个筏体、液压传动组件、发电组件、智能控制组件；
所述液压传动组件包括设置在相邻筏体之间的若干个液压缸，每个液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过介质管路与相应的换向阀的输入端A连接，每个换向阀的输出端均包括高压端P和低压端O，所述智能控制组件控制所有液压缸的无杆腔和有杆腔中因运动产生的高压腔与高压端P连接，低压腔与低压端O连接，所述发电组件设置在所有高压端P交点和所有低压端O交点之间的介质管路上，高压腔内的压力传导介质始终经过发电组件流入到低压腔内。
优化的，若干个液压缸两端分别铰接在相邻筏体上且平行设置，所述液压传动组件还包括平行设置在若干个液压缸中间的连接件。
优化的，发电装置还包括与所有换向阀的高压端P交点处连接的高压蓄能器、与低压端O交点处连接的低压蓄能器。
优化的，发电装置还包括与智能控制组件连接的传感组件，所述传感组件包括在每个液压缸的两端处均设置的速度传感器。
优化的，所述发电装置还包括与智能控制组件连接的传感组件，所述传感组件包括在发电组件连接的管路上设置的流量传感器。
优化的，发电组件的左右两端还分别设置安全阀，当介质管路内的工作压力高于系统设定压力时，压力传导介质经过相应的安全阀排出，与低压蓄能器连接的管路还设置有补液管路，所述补液管路上设置有补充压力传导介质的补液驱动和单向阀。
优化的，所述连接件为平面铰链，所述平面铰链的转动平面垂直于水平面，使连接件两侧液压缸内的活塞杆交替的此缩彼伸。
优化的，所述发电装置包括多个发电子装置，每个发电子装置均包括沿着波浪的波峰连线方向阵列连接的筏体和液压传动组件，多个发电子装置垂直于波峰连线的水平方向阵列。
优化的，两个液压缸与连接件形成的平面垂直于水平面。
优化的，装置还包括浪高仪，浪高仪设置在待发电的水域内，上述筏式波浪能发电装置的控制方法包括以下步骤：
S1、智能控制组件通过设置在装置前端的浪高仪获取当前波浪参数，当波浪周期为投放海域的常规额定周期，进入步骤S2，判断波浪周期大于海域常规波浪周期，当波浪周期大于海域常规波浪周期，进入步骤S3，当波浪周期小于海域常规波浪周期时，进入步骤S4；
S2、波浪带动连接件两侧液压缸内的活塞杆交替的此缩彼伸，活塞杆往外伸出的液压缸中，有杆腔为高压腔，无杆腔为低压腔，相反的，活塞杆往液压缸内收缩的液压缸中，有杆腔为低压腔，无杆腔为高压腔；智能控制组件控制与高压腔连接的换向阀的输入端A与高压端P导通、低压腔连接相应的换向阀的输入端A与低压端O导通；智能控制组件根据活塞杆的运动方向控制换向阀换向，保证与高压腔连接的换向阀的输入端A与高压端P导通、低压腔连接相应的换向阀的输入端A与低压端O导通；
S3、智能控制组件获取相邻筏体之间的相对转动速度，并判断是否在趋近于0，且超过设定值时，智能控制组件控制进入到步骤S2，当不超过设定值时，智能控制组件控制各换向阀处于中位，锁住相邻筏体，然后以装置俘获能量最大为目标函数确定最优锁住时间△t1，锁住时间△t1过后，拓宽相邻筏体的固有周期的占空比，匹配波浪周期；装置执行步骤S2；
S4、智能控制组件获取相邻筏体之间的相对转动速度，并判断是否在趋近于0，且超过设定值时，智能控制组件控制进入到步骤S2，当不超过设定值时，智能控制组件控制所有换向阀处于低压端O，各液压缸中两腔体接低压蓄能器，发电系统被旁路，智能控制组件根据装置俘获能量最大为目标函数确定最优的发电系统被旁路时间△t2，经过最优的发电系统被旁路时间△t2过后，装置切换到步骤S2。
本发明的优点在于：
(1)本发明通过获得智能控制组件控制换向阀内输入端A与相应的输出端导通，可以适用于不同的波浪情况，与发电组件连接的介质管路上的压力传导介质始终是从高压端P流向低压端O，使发电装置在常规额定周期的情况下能提高能源的利用率。
(2)连接件的设置防止所有的液压缸在波浪的作用下，防止液压缸内的活塞杆在大波浪的作用下液压缸内的活塞杆从缸体内抽出，连接件的设置起到了保护液压缸的作用。
(3)高压蓄能器和低压蓄能器的使用可以使介质管路的流量更加稳定。
(4)智能控制组件根据速度传感器确定液压缸是处于收缩状态还是伸出状态，从而控制相应的换向阀的状态。
(5)流量传感器的作用可以检测出介质管路中的总流量，根据流量判断发电组件工作状态是否稳定。
(6)铰链和液压缸的设置方式不仅可以利用波浪水平方向的推动力，还可以利用波浪的上下浮动的推动力，从而提高波浪能的利用率。
(7)本发明中发电子装置和对应筏体的设置方式也可以提高波浪能的利用率。
(8)该方法中的智能控制组件调整换向阀的状态，使整个装置适应于不同的环境中，并且提高波浪能的利用率。
附图说明
图1为本发明中发电装置的示意图。
图2为各部件连接图。
图3为控制方法的流程图。
图中标注符号的含义如下：
1-前筏体2-后筏体3-上俘能液压缸4-下俘能液压缸
5-第一加速传感器 6-第二加速传感器
7-平面铰链 8-第一换向阀 9-第二换向阀
10-第三换向阀 11-第四换向阀
12-高压蓄能器13-低压蓄能器14-第一安全阀15-第二安全阀
16-液压马达17-三相交流发电机18-储液箱19-单向阀
20-补液泵21-电机221-第一速度传感器222-第二速度传感器
223-第三速度传感器 224-第四速度传感器
23-流量传感器 24-单片机
具体实施方式
实施例1
如图1-2所示，一种筏式波浪能发电装置，包括若干个筏体、液压传动组件、发电组件、智能控制组件。若干个筏体沿着波浪的波峰连线方向阵列连接。所述液压传动组件包括设置在相邻筏体之间的若干个液压缸。在此以两个筏体、两个筏体之间设置两个液压缸为例。智能控制组件为单片机24。优化的，发电装置的质心位于浮心之上，可以保证整个发电装置在海面上的平衡。
两个液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过管路与相应的换向阀的输入端A连接，每个换向阀的输出端均包括高压端P和低压端O，所述智能控制组件控制两个液压缸的无杆腔和有杆腔中因活塞杆运动产生的高压腔与高压端P连接，低压腔与低压端O连接，所述发电组件设置在所有高压端P交点和所有低压端O交点之间介质管路上，高压腔内的压力传导介质始终经过发电组件流入到低压腔内。
两个筏体分别为前筏体1、后筏体2，两个液压缸分别为上俘能液压缸3、下俘能液压缸4。上俘能液压缸3的无杆腔和有杆腔分别与第一换向阀8和第二换向阀9的输入端A连接，下俘能液压缸4的无杆腔和有杆腔分别与第三换向阀10和第四换向阀11的输入端A连接。如图2所示，所有换向阀输出端的左位为高压端P，右位为低压端O,中位为空置位。
上俘能液压缸3、下俘能液压缸4两端分别铰接在前筏体1和后筏体2上且平行设置，所述液压传动组件还包括平行设置在上俘能液压缸3、下俘能液压缸4中间的连接件。为了防止液压缸在波浪的作用下发生扭动，所述连接件为平面铰链7，平面铰链7的转动平面垂直于水平面，使连接件两侧液压缸内的活塞杆交替的此缩彼伸。两个液压缸与连接件中轴线形成的平面垂直于水平面。
发电装置还包括高压蓄能器12、低压蓄能器13、传感组件。高压蓄能器12与所有换向阀的高压端P交点处连接，低压蓄能器13与低压端O交点处连接，传感组件与智能控制组件连接。所述传感组件包括设置在前筏体1上的第一加速传感器5、设置在后筏体2上的第二加速传感器6、在发电组件连接的介质管路上设置的流量传感器23。并且每个液压缸的两端处均设置有速度传感器。即设置在上俘能液压缸3两端的第一速度传感器221和第二速度传感器222，设置在下俘能液压缸4两端的第三速度传感器223和第四速度传感器224。在该实施例中第一速度传感器221、第二速度传感器222、第三速度传感器223、第四速度传感器224可以设置前筏体1和后筏体2上，且分别靠近对应液压缸的对应端部。
发电组件包括设置在高压蓄能器12与低压蓄能器13之间的介质管路上的液压马达16、与液压马达16通过联轴器连接的三相交流发电机17。
发电组件的左右两端的液压旁路还分别设置有第一安全阀14和第二安全阀15。当介质管路内的工作压力高于系统设定压力时，压力传导介质经过相应的安全阀排出，与低压蓄能器13连接的管路与压力传导介质之间还设置有补液管路，所述补液管路上设置有补液驱动和单向阀19。补液驱动包括设置在补液管路上的补液泵20、驱动补液泵工作的电机21。当介质管路内的工作压力高于系统设定压力时，压力传导介质经过相应的安全阀排出到储液箱18中，补液管路设置在与低压蓄能器13连接的管路与储液箱18之间。介质管路里面使用的压力传导介质可以是液压油也可以使用海水，在该实施例中，为了防止压力传导介质泄漏污染海洋环境，在此使用海水作为压力传导的介质，在此储液箱18就直接为作业环境，当使用液压油时，储液箱18就为油箱。
为了提高整个波浪能的利用率，所述发电装置多个发电子装置，每个发电子装置均包括沿着波浪的波峰连线方向阵列连接的筏体和液压传动组件，多个发电子装置垂直于波峰连线的水平方向阵列。相邻的发电子装置中的筏体通过铰链连接。
实施例2
如图3所示，装置还包括浪高仪，浪高仪设置在待发电的水域内，使用实施例1所述的筏式波浪能发电装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、智能控制组件通过设置在装置前端的浪高仪获取当前波浪参数，当波浪周期为投放海域的常规额定周期，进入步骤S2，判断波浪周期大于海域常规波浪周期，当波浪周期大于海域常规波浪周期，进入步骤S3，当波浪周期小于海域常规波浪周期时，进入步骤S4；
S2、波浪带动连接件两侧液压缸内的活塞杆交替的此缩彼伸，活塞杆往外伸出的液压缸中，有杆腔为高压腔，无杆腔为低压腔，相反的，活塞杆往液压缸内收缩的液压缸中，有杆腔为低压腔，无杆腔为高压腔；智能控制组件控制与高压腔连接的换向阀的输入端A与高压端P导通、低压腔连接相应的换向阀的输入端A与低压端O导通；智能控制组件根据活塞杆的运动方向控制换向阀换向，保证与高压腔连接的换向阀的输入端A与高压端P导通、低压腔连接相应的换向阀的输入端A与低压端O导通；
S3、智能控制组件获取相邻筏体之间的相对转动速度，并判断是否在趋近于0，且超过设定值时，智能控制组件控制进入到步骤S2，当不超过设定值时，智能控制组件控制各换向阀处于中位，锁住相邻筏体，然后以装置俘获能量最大为目标函数确定最优锁住时间△t1，锁住时间△t1过后，这样拓宽相邻筏体固有周期的占空比，匹配波浪周期，装置执行步骤S2；
S4、智能控制组件获取相邻筏体之间的相对转动速度，并判断是否在趋近于0，且超过设定值时，智能控制组件控制进入到步骤S2，当不超过设定值时，智能控制组件控制所有换向阀处于低压端O，各液压缸中两腔体接低压蓄能器，发电系统被旁路，智能控制组件根据装置俘获能量最大为目标函数确定最优的发电系统被旁路时间△t2，经过最优的发电系统被旁路时间△t2过后，装置切换到步骤S2。这样不致使液压缸长时间停留，可增加发电系统的有效工作时间。
在步骤S2中，一个发电周期的顺序如下：
S21、单片机24通过获得的信息确定为上俘能液压缸3的活塞杆先伸出，还是下俘能液压缸4的活塞杆先伸出，当上俘能液压缸3的活塞杆先伸出时进入步骤S22,当下俘能液压缸4的活塞杆先伸出时，进入步骤S23。
S22、单片机24控制第二换向阀9、第三换向阀10切换到左位，第一换向阀8、第四换向阀11切换到右位，此时上俘能液压缸3的有杆腔、下俘能液压缸4的无杆腔为高压腔，两个高压腔中的压力传导介质分别通过对应的第二换向阀9、第三换向阀10流入介质管路的高压侧并驱动液压马达16转动。液压马达16通过联轴器带动发电机转动，上俘能液压缸3的无杆腔和下俘能液压缸4的有杆腔从液压马达16的低压侧吸入压力传导介质；在波浪进入另半个周期时，装置进入步骤S23；
S23、单片机24控制第二换向阀9、第三换向阀10切换到右位，第一换向阀8、第四换向阀11切换到左位，此时上俘能液压缸3的无杆腔、下俘能液压缸4的有杆腔为高压腔，高压腔内的压力传导介质分别通过对应的第一换向阀8和第四换向阀11流入介质管路的高压侧并驱动液压马达16，液压马达16通过联轴器带动发电机转动，上俘能液压缸3的有杆腔、下俘能液压缸4的无杆腔从液压马达16的低压侧吸入压力传导介质；在波浪进入另半个周期时，装置进入步骤S22。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，筏式波浪能发电装置包括若干个筏体、液压传动组件、发电组件、智能控制组件；
所述液压传动组件包括设置在相邻筏体之间的若干个液压缸，每个液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过介质管路与相应的换向阀的输入端A连接，每个换向阀的输出端均包括高压端P和低压端O，所述智能控制组件控制所有液压缸的无杆腔和有杆腔中因运动产生的高压腔与高压端P连接，低压腔与低压端O连接，所述发电组件设置在所有高压端P交点和所有低压端O交点之间的介质管路上，高压腔内的压力传导介质始终经过发电组件流入到低压腔内；
筏式波浪能发电装置还包括浪高仪，浪高仪设置在待发电的水域内；筏式波浪能发电装置的控制方法包括以下步骤：
S1、智能控制组件通过设置在装置前端的浪高仪获取当前波浪参数，当波浪周期为投放海域的常规额定周期，进入步骤S2，判断波浪周期大于海域常规波浪周期，当波浪周期大于海域常规波浪周期，进入步骤S3，当波浪周期小于海域常规波浪周期时，进入步骤S4；
S2、波浪带动连接件两侧液压缸内的活塞杆交替的此缩彼伸，活塞杆往外伸出的液压缸中，有杆腔为高压腔，无杆腔为低压腔，相反的，活塞杆往液压缸内收缩的液压缸中，有杆腔为低压腔，无杆腔为高压腔；智能控制组件控制与高压腔连接的换向阀的输入端A与高压端P导通、低压腔连接相应的换向阀的输入端A与低压端O导通；智能控制组件根据活塞杆的运动方向控制换向阀换向，保证与高压腔连接的换向阀的输入端A与高压端P导通、低压腔连接相应的换向阀的输入端A与低压端O导通；
S3、智能控制组件获取相邻筏体之间的相对转动速度，并判断是否在趋近于0，且超过设定值时，智能控制组件控制进入到步骤S2，当不超过设定值时，智能控制组件控制各换向阀处于中位，锁住相邻筏体，然后以装置俘获能量最大为目标函数确定最优锁住时间△t1，锁住时间△t1过后，拓宽相邻筏体的固有周期的占空比，匹配波浪周期；装置执行步骤S2；
S4、智能控制组件获取相邻筏体之间的相对转动速度，并判断是否在趋近于0，且超过设定值时，智能控制组件控制进入到步骤S2，当不超过设定值时，智能控制组件控制所有换向阀处于低压端O，各液压缸中两腔体接低压蓄能器，发电系统被旁路，智能控制组件根据装置俘获能量最大为目标函数确定最优的发电系统被旁路时间△t2，经过最优的发电系统被旁路时间△t2过后，装置切换到步骤S2。
2.根据权利要求1所述的一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，若干个液压缸两端分别铰接在相邻筏体上且平行设置，所述液压传动组件还包括平行设置在若干个液压缸中间的连接件。
3.根据权利要求1所述的一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，发电装置还包括与所有换向阀的高压端P交点处连接的高压蓄能器（12）、与低压端O交点处连接的低压蓄能器（13）。
4.根据权利要求1所述的一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，发电装置还包括与智能控制组件连接的传感组件，所述传感组件包括在每个液压缸的两端处均设置的速度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，所述发电装置还包括与智能控制组件连接的传感组件，所述传感组件包括在发电组件连接的管路上设置的流量传感器（23）。
6.根据权利要求5所述的一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，发电组件的左右两端还分别设置安全阀，当介质管路内的工作压力高于系统设定压力时，压力传导介质经过相应的安全阀排出，与低压蓄能器（13）连接的管路还设置有补液管路，所述补液管路上设置有补充压力传导介质的补液驱动和单向阀（19）。
7.根据权利要求2所述的一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，所述连接件为平面铰链（7），所述平面铰链（7）的转动平面垂直于水平面，使连接件两侧液压缸内的活塞杆交替的此缩彼伸。
8.根据权利要求7所述的一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，所述发电装置包括多个发电子装置，每个发电子装置均包括沿着波浪的波峰连线方向阵列连接的筏体和液压传动组件，多个发电子装置垂直于波峰连线的水平方向阵列。
9.根据权利要求8所述的一种筏式波浪能发电装置的控制方法，其特征在于，两个液压缸与连接件形成的平面垂直于水平面。
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