CN115288921A - 一种波浪能发电转换单元阵列设计方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波浪能技术领域，公开了一种波浪能发电转换单元阵列设计方法、系统及设备。本发明构造由预置数量的外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列；根据所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近；并以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，对各所述波浪能发电转换单元的结构拓扑进行优化。本发明使各波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近，通过各频带的重叠以产生宽频带的效果，拓宽波浪能发电系统的有效工作带宽，解决了因波浪能发电转换装置有效工作带宽窄导致的能量捕获效率较差且发电不稳定的技术问题。

Description

一种波浪能发电转换单元阵列设计方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及波浪能技术领域，尤其涉及一种波浪能发电转换单元阵列设计方法、系统及设备。

背景技术

目前波浪能主要的利用方式是波浪能发电，其利用水面的起伏运动带动波浪能发电转换设备中的波浪能发电转换单元做往复摆动，并将产生的动能转化为可用于发电或海水淡化等用途的有用能量。

通常情况下，波浪能发电转换单元都是根据所在海域的实际波浪周期设计的，若单元的固有频率与波浪频率重合，则可以实现共振，以最大程度地获取波浪能。然而，当波浪频率稍微偏离波浪能发电转换单元的固有频率时，其能量捕获效率就会明显下降；当波浪频率远离波浪能发电转换单元的固有频率时，其能量捕获效率就会变得很低。也就是说，波浪能发电转换单元对外激励的频率很敏感，只有固有频率与波浪频率相匹配，才能有较高的能量捕获效率。

然而，在正常的海况中，激励波浪在一个较宽的频率范围内变化。而波浪能发电转换单元因其固有频率一定，仅能在一个较窄的频率范围内有比较好的运动响应，这使得波浪能发电转换设备的有效工作带宽很窄，所发出的电能非常不稳定，且能量捕获效率较差。

发明内容

本发明提供了一种波浪能发电转换单元阵列设计方法、系统及设备，能够拓宽波浪能发电转换设备的有效工作带宽，解决了因波浪能发电转换装置有效工作带宽窄导致的能量捕获效率较差且发电不稳定问题。

本发明第一方面提供一种波浪能发电转换单元阵列设计方法，所述方法包括：

构造由预置数量的外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列；

确定所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围，根据所述平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近；

对各所述波浪能发电转换单元的结构拓扑进行优化，包括：定义波浪能发电转换单元的拓扑优化设计域，运用有限元对所述拓扑优化设计域进行离散，以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，基于所述拓扑优化模型进行拓扑优化求解，得到最优的波浪能发电转换单元结构。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述方法包括：

设置所述预置数量的范围为3～8。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述根据所述平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近，包括：

按照下列公式设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率：

式中，f_i表示第i个波浪能发电转换单元的固有频率，T_min为所述平均波浪周期范围的下限，T_max为所述平均波浪周期范围的上限，N为波浪能发电转换单元阵列的波浪能发电转换单元数量，i＝1,2,…,N。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，包括：

建立所述拓扑优化模型为：

式中，V_r表示第r个体积约束对应的体积，V_{r min}表示第r个体积约束对应的体积下限，V_{r max}表示第r个体积约束对应的体积上限，R为体积约束的数量，t_y表示第y个拓扑变量，M为拓扑优化设计域中离散划分的单元总数。

本发明第二方面提供一种波浪能发电转换单元阵列设计系统，所述系统包括：

第一模块，用于构造由预置数量的外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列；

第二模块，用于确定所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围，根据所述平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近；

第三模块，用于对各所述波浪能发电转换单元的结构拓扑进行优化，包括：定义波浪能发电转换单元的拓扑优化设计域，运用有限元对所述拓扑优化设计域进行离散，以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，基于所述拓扑优化模型进行拓扑优化求解，得到最优的波浪能发电转换单元结构。

根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第一模块包括：

第一单元，用于设置所述预置数量的范围为3～8。

根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第二模块包括：

第二单元，用于按照下列公式设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率：

式中，f_i表示第i个波浪能发电转换单元的固有频率，T_min为所述平均波浪周期范围的下限，T_max为所述平均波浪周期范围的上限，N为波浪能发电转换单元阵列的波浪能发电转换单元数量，i＝1,2,…,N。

根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述第三模块包括：

第三单元，用于建立所述拓扑优化模型为：

式中，V_r表示第r个体积约束对应的体积，V_{r min}表示第r个体积约束对应的体积下限，V_{r max}表示第r个体积约束对应的体积上限，R为体积约束的数量，t_y表示第y个拓扑变量，M为拓扑优化设计域中离散划分的单元总数。

本发明第三方面提供了一种波浪能发电转换单元阵列设计设备，包括：

存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项能够实现的方式所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法；

处理器，用于执行所述存储器中的指令。

本发明第四方面一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项能够实现的方式所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明构造由预置数量的外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列；根据所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近；并以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，对各所述波浪能发电转换单元的结构拓扑进行优化；本发明采用多个波浪能发电转换单元形成阵列，并进行结构拓扑优化设计，使各波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近，通过各频带的重叠以产生宽频带的效果，拓宽波浪能发电系统的有效工作带宽，解决了因波浪能发电转换装置有效工作带宽窄导致的能量捕获效率较差且发电不稳定的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一个可选实施例提供的一种波浪能发电转换单元阵列设计方法的流程图；

图2为本发明一个可选实施例提供的使用本发明方法设计得到的波浪能发电转换单元阵列与波浪能发电转换单元的能量俘获对比结果示意图；

图3为本发明一个可选实施例提供的一种波浪能发电转换单元阵列设计系统的结构连接框图。

附图标记：

1-第一模块；2-第二模块；3-第三模块。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种波浪能发电转换单元阵列设计方法、系统及设备，用于解决因波浪能发电转换装置有效工作带宽窄导致的能量捕获效率较差且发电不稳定的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种波浪能发电转换单元阵列设计方法。需要说明的是，实际使用时，波浪能发电转换装置至少包括一个波浪能发电转换单元阵列。波浪能发电转换单元阵列作为波浪能发电转换装置的最小单元，本申请对该最小单元进行优化设计，以解决因波浪能发电转换装置有效工作带宽窄导致的能量捕获效率较差且发电不稳定的技术问题。

请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种波浪能发电转换单元阵列设计方法的流程图。

本发明实施例提供的一种波浪能发电转换单元阵列设计方法，包括步骤S1-S3。

步骤S1，构造由预置数量的外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列。

在一种能够实现的方式中，为控制波浪能发电转换装置的造价成本，设置所述预置数量的范围为3～8。

作为优选，构造由5个外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列。

步骤S2，确定所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围，根据所述平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近。

其中，可以根据海浪场时空分布特征历史统计数据或海浪数值模拟计算结果，确定所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围T_min～T_max。由于频率与周期的关系为

可以得到相应的频率范围为

本实施例中，通过根据所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围进行固有频率的设计，可以使得所设计的波浪能发电转换单元阵列的固有频率更能贴合实际的波浪振动情况，保障固有频率与波浪频率之间具有一定的重合度。

在一种能够实现的方式中，基于频率与周期的关系，可以按照下列公式设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率：

式中，f_i表示第i个波浪能发电转换单元的固有频率，T_min为所述平均波浪周期范围的下限，T_max为所述平均波浪周期范围的上限，N为波浪能发电转换单元阵列的波浪能发电转换单元数量，i＝1,2,…,N。

根据该公式进行各波浪能发电转换单元的固有频率的设计，可以使得所设计的各波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近。

步骤S3，对各所述波浪能发电转换单元的结构拓扑进行优化，包括：定义波浪能发电转换单元的拓扑优化设计域，运用有限元对所述拓扑优化设计域进行离散，以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，基于所述拓扑优化模型进行拓扑优化求解，得到最优的波浪能发电转换单元结构。

其中，可以开展有限元力学分析和疲劳分析，根据分析结果设定拓扑优化设计域和非优化区域。对于非主要承载区域和疲劳应力水平较高的区域，设定为拓扑优化设计域；对于主要承载区和疲劳应力较低的区域，设定为非优化区域。

本实施例中，在保持各所述波浪能发电转换单元外形相同的情况下，以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，开展波浪能发电转换单元结构拓扑优化，使得所优化的各波浪能发电转换单元能够满足固有频率不同且接近的要求。通过各波浪能发电转换单元频带的重叠，能够产生波浪能发电转换单元阵列宽频带的效果，从而拓宽波浪能发电系统的有效工作带宽，解决因波浪能发电转换装置有效工作带宽窄导致的波浪频率远离对应的固有频率时能量捕获效率降低、发电不稳定的问题。

波浪能发电转换单元结构拓扑优化本质是以体积为约束、基频为目标函数的拓扑优化问题，将给定的设计域离散成适当、足够多的子区域，形成有若干子区域(单元)组成的基结构，将各拓扑变量取值为0到1的一个常数，表示从有到无的过渡状态，这样就可将离散的模型映射成连续的模型，通过优化迭代逐渐从结构中删除材料，从而改变结构的刚度和质量的分布，进而实现结构频率优化。

其中，可以以现有的优化求解方法来求解该拓扑优化问题，例如采用路径跟踪法进行求解。需要说明的是，本申请对具体的优化求解方法不做限定。

在一种能够实现的方式中，所述以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，包括：

建立所述拓扑优化模型为：

式中，V_r表示第r个体积约束对应的体积，V_{r min}表示第r个体积约束对应的体积下限，V_{r max}表示第r个体积约束对应的体积上限，R为体积约束的数量，t_y表示第y个拓扑变量，M为拓扑优化设计域中离散划分的单元总数。

其中，可以根据实际情况确定体积约束及其具体参数。

为了使本发明的有益效果更加清楚明白，下面以由5个某鹰式波浪能发电单元所组成的阵列为设计对象，对本申请的方法进行具体阐述。

(1)确定波浪的平均周期范围为4～6s；

(2)构造波浪能发电转换单元阵列，阵列中包含5个外形相同的波浪能发电转换单元；

(3)在保持外形相同的情况下，开展波浪能发电转换单元结构拓扑优化，使每一个波浪能发电转换单元的固有周期不同且接近，通过各波浪能发电转换单元频带的重叠以产生浪能发电转换单元阵列宽频带的效果，本实施例中，设计各波浪能发电转换单元的固有频率为：

T_i＝4s、4.5s、5s、5.5s、6s；

(4)使用有限元方法元求解以体积为约束、基频为目标函数的拓扑优化问题，对波浪能发电转换单元的拓扑进行优化，使5个波浪能发电转换单元固有周期分别为4s、4.5s、5s、5.5s、6s。

(5)使用本发明方法设计得到的波浪能发电转换单元阵列与波浪能发电转换单元的能量俘获对比结果如图2所示。

由机械振动理论可知，系统响应幅值大于其峰值的

倍对应的频段(或周期段)称为共振区，共振区的大小称为带宽。从图2可知，单个波浪能发电转换单元的带宽(即ΔT′)约为0.2s，采用本发明设计得到的波浪能发电转换单元阵列的带宽(即ΔT)约为2.5s。由此可见，本发明可有效拓宽波浪能发电系统的有效工作带宽，解决因波浪能发电装置有效工作带宽窄导致的波浪频率远离对应固有频率时能量捕获效率降低、发电不稳定的问题。

本发明还提供了一种波浪能发电转换单元阵列设计系统。

请参阅图3，图3示出了本发明实施例提供的一种波浪能发电转换单元阵列设计系统的结构连接框图。

本发明实施例提供的一种波浪能发电转换单元阵列设计系统，包括：

第一模块1，用于构造由预置数量的外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列；

第二模块2，用于确定所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围，根据所述平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近；

第三模块3，用于对各所述波浪能发电转换单元的结构拓扑进行优化，包括：定义波浪能发电转换单元的拓扑优化设计域，运用有限元对所述拓扑优化设计域进行离散，以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，基于所述拓扑优化模型进行拓扑优化求解，得到最优的波浪能发电转换单元结构。

在一种能够实现的方式中，所述第一模块1包括：

第一单元，用于设置所述预置数量的范围为3～8。

在一种能够实现的方式中，所述第二模块2包括：

第二单元，用于按照下列公式设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率：

式中，f_i表示第i个波浪能发电转换单元的固有频率，T_min为所述平均波浪周期范围的下限，T_max为所述平均波浪周期范围的上限，N为波浪能发电转换单元阵列的波浪能发电转换单元数量，i＝1,2,…,N。

在一种能够实现的方式中，所述第三模块3包括：

第三单元，用于建立所述拓扑优化模型为：

式中，V_r表示第r个体积约束对应的体积，V_{r min}表示第r个体积约束对应的体积下限，V_{r max}表示第r个体积约束对应的体积上限，R为体积约束的数量，t_y表示第y个拓扑变量，M为拓扑优化设计域中离散划分的单元总数。

本发明还提供了一种波浪能发电转换单元阵列设计设备，包括：

存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项实施例所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法；

处理器，用于执行所述存储器中的指令。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项实施例所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、设备和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，上述描述的系统、设备和模块的具体有益效果，可以参考前述方法实施例中的对应有益效果，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种波浪能发电转换单元阵列设计方法，其特征在于，所述方法包括：

构造由预置数量的外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列；

确定所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围，根据所述平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近；

对各所述波浪能发电转换单元的结构拓扑进行优化，包括：定义波浪能发电转换单元的拓扑优化设计域，运用有限元对所述拓扑优化设计域进行离散，以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，基于所述拓扑优化模型进行拓扑优化求解，得到最优的波浪能发电转换单元结构。

2.根据权利要求1所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法，其特征在于，所述方法包括：

设置所述预置数量的范围为3～8。

3.根据权利要求1所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法，其特征在于，所述根据所述平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近，包括：

按照下列公式设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率：

式中，f_i表示第i个波浪能发电转换单元的固有频率，T_min为所述平均波浪周期范围的下限，T_max为所述平均波浪周期范围的上限，N为波浪能发电转换单元阵列的波浪能发电转换单元数量，i＝1,2,…,N。

4.根据权利要求1所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法，其特征在于，所述以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，包括：

建立所述拓扑优化模型为：

式中，V_r表示第r个体积约束对应的体积，V_rmin表示第r个体积约束对应的体积下限，V_rmax表示第r个体积约束对应的体积上限，R为体积约束的数量，t_y表示第y个拓扑变量，M为拓扑优化设计域中离散划分的单元总数。

5.一种波浪能发电转换单元阵列设计系统，其特征在于，所述系统包括：

第一模块，用于构造由预置数量的外形相同的波浪能发电转换单元组成的波浪能发电转换单元阵列；

第二模块，用于确定所述波浪能发电转换单元阵列所布放海域的平均波浪周期范围，根据所述平均波浪周期范围，设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率不同且接近；

第三模块，用于对各所述波浪能发电转换单元的结构拓扑进行优化，包括：定义波浪能发电转换单元的拓扑优化设计域，运用有限元对所述拓扑优化设计域进行离散，以基频为对应设计的固有频率为目标，满足体积约束为约束条件，建立相应的拓扑优化模型，基于所述拓扑优化模型进行拓扑优化求解，得到最优的波浪能发电转换单元结构。

6.根据权利要求5所述的波浪能发电转换单元阵列设计系统，其特征在于，所述第一模块包括：

第一单元，用于设置所述预置数量的范围为3～8。

7.根据权利要求5所述的波浪能发电转换单元阵列设计系统，其特征在于，所述第二模块包括：

第二单元，用于按照下列公式设计各所述波浪能发电转换单元的固有频率：

式中，f_i表示第i个波浪能发电转换单元的固有频率，T_min为所述平均波浪周期范围的下限，T_max为所述平均波浪周期范围的上限，N为波浪能发电转换单元阵列的波浪能发电转换单元数量，i＝1,2,…,N。

8.根据权利要求5所述的波浪能发电转换单元阵列设计系统，其特征在于，所述第三模块包括：

第三单元，用于建立所述拓扑优化模型为：

式中，V_r表示第r个体积约束对应的体积，V_rmin表示第r个体积约束对应的体积下限，V_rmax表示第r个体积约束对应的体积上限，R为体积约束的数量，t_y表示第y个拓扑变量，M为拓扑优化设计域中离散划分的单元总数。

9.一种波浪能发电转换单元阵列设计设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如权利要求1-4任意一项所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法；

处理器，用于执行所述存储器中的指令。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任意一项所述的波浪能发电转换单元阵列设计方法。

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