CN117550018B - 一种波浪能发电浮标及其可变面积垂荡板和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波浪能发电浮标技术领域，具体涉及一种波浪能发电浮标及其可变面积垂荡板和控制方法，所述可变面积垂荡板包括从上往下依次分布的上盖、旋转开合机构和固定盘，所述上盖为环形结构，所述固定盘的中心开设有通孔，所述上盖的外圈与固定盘的外圈固定连接，所述旋转开合机构安装于上盖和固定盘之间，所述上盖和固定盘之间安装有用于驱动旋转开合机构旋转的旋转驱动机构，所述旋转开合机构旋转时能够改变通孔的遮挡面积。本发明可以改变垂荡板的通孔遮挡面积进而改变波浪能发电浮标的在垂荡方向上的投影面积，最后改变波浪能发电浮标的垂荡固有频率，进一步改善其发电特性，可以获得更高的能量转换效率。

Description

一种波浪能发电浮标及其可变面积垂荡板和控制方法

技术领域

本发明涉及波浪能发电浮标技术领域，尤其涉及一种波浪能发电浮标及其可变面积垂荡板和控制方法。

背景技术

波浪能发电是利用波浪的动能和势能为动力生产电能。海洋中的波浪蕴含着巨大的能量，据统计全球波浪能的年储量为8到80万亿度。通过某些波浪能装置可以将波浪中的能量转换为机械的、气压的或者液压的能量，然后通过传动机构、汽轮机、水轮机或者液压马达驱动电磁发电机发电。

垂荡板是一种具有一定长度和厚度的金属板状结构，其常见的形状有圆形、正方形等，常应用于大型spar平台。垂荡板结构能提供额外的阻尼和附加质量、改变浮标的固有频率、延长垂荡周期和提升浮标非共振区的垂荡响应，进而提高浮标的俘获特性。例如，中国发明专利申请公开号CN111874159A提出了一种波浪能发电浮标；中国发明专利申请公开号CN116080825A公开了一种波浪能发电浮标及其工作方法。

在波浪能发电浮标转换波浪能的过程中，尤其依赖装置在波浪作用下发生与波浪的相对运动，装置在垂荡方向上的固有频率与入射波浪的频率相同或相近时会产生较大的运动幅度，也因此产生较大的动能，有利于波浪能的转换；固有频率一般是波浪能发电浮标装置的固有属性，但是通过改变垂荡板在垂荡方向上与波浪的接触面积来改变浮标在该方向上的附加质量，从而实现改变装置在垂荡方向上的固有频率。

在波浪能发电浮标转换波浪能的过程中，浮标的俘获宽度比曲线通常在浮标的垂荡固有频率处达到峰值，并且在峰值两侧迅速降低。现有的波浪能发电浮标依然存在弊端：无法根据不同的海况改变其固有频率，这意味着装置只能在一个较窄的波浪周期范围内有效地转换波浪能。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种波浪能发电浮标及其可变面积垂荡板和控制方法，可以根据波浪角频率的变化而自适应调整波浪能发电浮标的垂荡固有频率，进而提高波浪能的转换效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可变面积垂荡板，用于波浪能发电浮标，包括从上往下依次分布的上盖、旋转开合机构和固定盘，所述上盖为环形结构，所述固定盘的中心开设有通孔，所述上盖的外圈与固定盘的外圈固定连接，所述旋转开合机构安装于上盖和固定盘之间，所述上盖和固定盘之间安装有用于驱动旋转开合机构旋转的旋转驱动机构，所述旋转开合机构旋转时能够改变通孔的遮挡面积；

所述旋转开合机构包括转动盘和多个叶片，所述转动盘与上盖的内圈之间留有间隙，多个所述叶片关于通孔的中心对称分布，所述转动盘能够驱动多个叶片共同做开合动作；

所述转动盘的底面开设有上凹槽，所述固定盘的顶面开设有与上凹槽相对的下凹槽，多个所述叶片设置于上凹槽和下凹槽之间，所述叶片的一端转动安装于下凹槽内，所述叶片的另一端滑动安装于上凹槽内；

所述旋转驱动机构包括电机、蜗杆和蜗轮，所述电机固定于上盖和固定盘之间，所述电机的输出端与蜗杆固定连接，所述蜗杆与蜗轮相配合，所述蜗轮设置于转动盘上。

优选地，所述蜗轮和转动盘为一体制作。

优选地，所述可变面积垂荡板还包括基座，所述基座的底部具有多条间隔分布的长杆，所述长杆的下端与上盖的顶面固定连接。

同时，本发明还提供一种波浪能发电浮标，所述波浪能发电浮标为振荡水柱式波浪能发电浮标，包括空气透平、发电浮标主体和所述的可变面积垂荡板，所述空气透平安装在发电浮标主体的中心管上部，所述可变面积垂荡板安装在发电浮标主体的底部。

另外，本发明还提供一种可变面积垂荡板的控制方法，包括如下步骤：

S10、获取单位时间间隔的采样波浪角频率；

S20、计算当前浮标的垂荡固有频率，根据所述采样波浪角频率与垂荡固有频率的差值，调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积，即调整可变面积垂荡板的面积，进而改变波浪能发电浮标的垂荡固有频率，使采样波浪角频率与垂荡固有频率相当。

优选地，步骤S20中，根据所述采样波浪角频率与垂荡固有频率的差值，计算得出波浪能发电浮标改变垂荡固有频率所需的附加质量；根据所需的附加质量，计算得出波浪能发电浮标改变垂荡板面积所需的通孔遮挡面积；根据所需的通孔遮挡面积，调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积。

优选地，步骤S20中，调整可变面积垂荡板的通孔的遮挡面积的具体步骤为：

S21、设定波浪角频率时间采样间隔T；

S22、设定有功波浪角频率工作范围，有功波浪角频率下限为ω₁，有功波浪角频率上限为ω₂；

S23、检测采样波浪角频率ω；

S24、判断采样波浪角频率ω是否在有功波浪角频率工作范围内；若否，则停止波浪能发电浮标工作；若是，即ω₁＜ω＜ω₂，则计算浮标的垂荡固有频率ω _n ，计算公式如下：

；

其中，m是波浪能发电浮标的质量，A ₃₃是波浪能发电浮标的附加质量，C是恢复力系数；

S25、判断采样波浪角频率ω是否等于垂荡固有频率ω _n ；若是，即ω＝ω _n ，则重复步骤S23至S24；若否，即ω≠ω _n ，则进入步骤S26；

S26、调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积，即调整可变面积垂荡板的面积，使波浪能发电浮标的附加质量A ₃₃改变，即可改变浮标的垂荡固有频率ω _n ，再重复步骤S25，直至采样波浪角频率ω等于垂荡固有频率ω _n ，即ω＝ω _n 。

优选地，步骤S24中，波浪能发电浮标的附加质量A ₃₃与垂荡板面积有关，按以下公式近似计算：

；

其中，ρ是水的密度，S是垂荡板的面积，H ₀是水深度，h是垂荡板位于水下的深度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明可以改变垂荡板装置的开孔大小进而改变波浪能发电浮标的在垂荡方向上的投影面积，最后改变波浪能发电浮标的垂荡固有频率，进一步改善其发电特性；本发明所提供的控制方法不需要预测未来的波浪参数，容易在实际海洋环境中实现波浪能控制策略，获得更高的能量转换效率，具有很大的应用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种可变面积垂荡板的立体爆炸图。

图2是本发明实施例的一种可变面积垂荡板的平面爆炸图。

图3是本发明实施例的一种可变面积垂荡板的整体立体图。

图4是本发明实施例的一种波浪能发电浮标的整体结构图。

图5是本发明实施例的一种可变面积垂荡板的控制方法流程图。

图中标记：1、基座；2、上盖；3、固定盘；4、转动盘；5、叶片；6、电机；10、空气透平；20、发电浮标主体；30、可变面积垂荡板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

实施例：如图1至图3所示，一种可变面积垂荡板，用于波浪能发电浮标，包括从上往下依次分布的上盖2、旋转开合机构和固定盘3，所述上盖2为环形结构，所述固定盘3的中心开设有通孔，所述上盖2的外圈与固定盘3的外圈固定连接（如密封焊接），所述旋转开合机构安装于上盖2和固定盘3之间，所述上盖2和固定盘3之间安装有用于驱动旋转开合机构旋转的旋转驱动机构，所述旋转开合机构旋转时能够改变通孔的遮挡面积。其中，所述通孔逐渐被遮挡时，垂荡板面积增大；所述通孔完全被遮挡时，垂荡板面积最大；所述通孔逐渐不被遮挡时，垂荡板面积缩小；所述通孔完全不被遮挡时，垂荡板面积最小。

在本实施例中，所述旋转开合机构包括转动盘4和多个叶片5，所述转动盘4与上盖2的内圈之间留有间隙，以确保转动盘4可以相对上盖2转动，多个所述叶片5关于通孔的中心对称分布，所述转动盘4能够驱动多个叶片5共同做开合动作。其中，所述转动盘4的底面开设有上凹槽，所述固定盘3的顶面开设有与上凹槽相对的下凹槽，多个所述叶片5设置于上凹槽和下凹槽之间，通过上凹槽和下凹槽为叶片5提供运动导槽。所述叶片5的一端转动安装于下凹槽内，所述叶片5的另一端滑动安装于上凹槽内，具体而言，所述下凹槽内可以设置有多个定位槽，分别用于定位多个叶片5的一端；所述上凹槽内可以设置有多个滑槽，分别用于引导叶片5的另一端滑动，进而使得叶片5发生旋转，改变通孔遮挡面积大小，即改变通孔的开合大小。该旋转开合机构的工作原理可以类似于相机光圈，在此不再赘述。

在本实施例中，所述旋转驱动机构优选但不局限于包括电机6、蜗杆和蜗轮，所述电机6固定于上盖2和固定盘3之间，所述电机6的输出端与蜗杆固定连接，所述蜗杆与蜗轮相配合，所述蜗轮设置于转动盘4上。其中，所述电机6优选但不局限于为步进电机6，通过步进电机6带动蜗杆蜗轮机构，为转动盘4提供转动所需动力。为了方便制作和降低成本，所述蜗轮和转动盘4优选但不局限于为一体制作，即可以直接在转动盘4上制作蜗轮轮齿。

在本实施例中，所述可变面积垂荡板还可以包括基座1，所述基座1的底部具有多条间隔分布的长杆，所述长杆的下端与上盖2的顶面固定连接。

当需要调整可变面积垂荡板的面积时，浮标的控制器按照保存在程序存储器中的程序算法根据当前电机的转动方向和转动圈数计算出当前垂荡板的通孔开合大小，然后计算出当前的垂荡板面积、附加质量和垂荡固有频率，再将当前计算得出的垂荡固有频率与输入波浪角频率对比，若两者不相当，则控制器驱动电机6工作，电机6转轴带动蜗杆转动，蜗杆与转动盘4上的蜗轮轮齿啮合使转动盘4旋转，转动盘4旋转叶片5，调整通孔开合大小。调整一次后再计算此次调整的通孔开合大小所对应的垂荡板面积、附加质量和垂荡固有频率，将此垂荡固有频率与输入波浪角频率进行对比。重复这个过程直至调整后的垂荡固有频率与输入波浪角频率相当（即相等或相近）。

如图4所示，一种波浪能发电浮标，所述波浪能发电浮标为振荡水柱式波浪能发电浮标，包括空气透平10、发电浮标主体20和所述的可变面积垂荡板30，所述空气透平10安装在发电浮标主体20的中心管上部，所述可变面积垂荡板30安装在发电浮标主体20的底部。

如图5所示，一种可变面积垂荡板的控制方法，包括如下步骤：

S10、获取单位时间间隔的采样波浪角频率；

S20、计算当前浮标的垂荡固有频率，根据所述采样波浪角频率与垂荡固有频率的差值，调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积，即调整可变面积垂荡板的面积，进而改变波浪能发电浮标的垂荡固有频率，使采样波浪角频率与垂荡固有频率相当（即相等或相近）。

在本实施例中，步骤S20中，根据所述采样波浪角频率与垂荡固有频率的差值，计算得出波浪能发电浮标改变垂荡固有频率所需的附加质量；根据所需的附加质量，计算得出波浪能发电浮标改变垂荡板面积所需的通孔遮挡面积；根据所需的通孔遮挡面积，调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积。

在本实施例中，步骤S20中，调整可变面积垂荡板的通孔的遮挡面积的具体步骤为：

S21、设定波浪角频率时间采样间隔T；

S22、设定有功波浪角频率工作范围，有功波浪角频率下限为ω₁，有功波浪角频率上限为ω₂；

S23、检测采样波浪角频率ω；

S24、判断采样波浪角频率ω是否在有功波浪角频率工作范围内，若否，则停止波浪能发电浮标工作；若是，即ω₁＜ω＜ω₂，则计算浮标的垂荡固有频率ω _n ，计算公式如下：

；

其中，m是波浪能发电浮标的质量，A ₃₃是波浪能发电浮标的附加质量，C是恢复力系数；

S25、判断采样波浪角频率ω是否等于垂荡固有频率ω _n ；若是，即ω＝ω _n ，则重复步骤S23至S24；若否，即ω≠ω _n ，则进入步骤S26；

S26、调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积，即调整可变面积垂荡板的面积，使波浪能发电浮标的附加质量A ₃₃改变，即可改变浮标的垂荡固有频率ω _n ，再重复步骤S25，直至采样波浪角频率ω等于垂荡固有频率ω _n ，即ω＝ω _n 。

在本实施例中，步骤S25和S26中，采样波浪角频率ω与垂荡固有频率ω _n 并非需要严格的相等，仅需确保浮标的垂荡固有频率ω _n 与采样波浪角频率ω相近，即可使浮标获得最佳的工作状态。

在本实施例中，步骤S24中，波浪能发电浮标的附加质量A ₃₃与垂荡板面积有关，可以但不局限于按以下公式近似计算：

；

其中，ρ是水的密度，S是垂荡板的面积，H ₀是水深度，h是垂荡板位于水下的深度。

振荡水柱波浪能发电浮标主要由空气透平、发电浮标主体和垂荡板组成。浮标工作时，浮标和波浪发生相对运动，浮标的中空管内液面做升沉运动，使空气不断地进出浮标的中空管内的气室并在气室的出口处即空气透平处产生往复气流；往复气流经过整流叶片后产生定向的推力推动空气透平的转子转动，空气透平的转子进而带动发电机的转轴转动，然后产生电能。其中，垂荡板的作用是为浮标提供额外的附加质量以及阻尼。附加质量是指物体在流体中变速运动，推动物体的力不仅要为增加物体的动能做功，还要为增加周围的流体的动能做功，因此具有一定质量的物体要获得加速度，施加在它上面的力将大于物体质量与加速度的乘积，增加的这部分质量就是附加质量。

当入射波浪的频率等于或接近浮标在垂荡方向上的固有频率时，浮标会产生较大的垂荡响应。浮标的垂荡固有频率与浮标的附加质量有关。一种近似的计算方法是：

；

其中，ρ是水的密度，S是垂荡板的面积，即垂荡板在与运动方向垂直的水面上的投影面积，H ₀是水深度，h是垂荡板位于水下的深度。可见，附加质量与垂荡板的面积有关。因此，可以通过改变垂荡板的面积，来达到改变浮标在垂荡方向上的附加质量的目的，进一步来改变浮标的垂荡固有频率。

垂荡板的面积越大，则提供的附加质量也越大，则垂荡固有频率就越小。垂荡板的面积越小，则提供的附加质量也越小，则垂荡固有频率就越大。在海况多变的实际海洋环境中，灵活地调整浮标的垂荡固有频率可以使浮标具有很强的适应性。

另外，本发明还可搭载加速度传感器，检测到垂荡板运动剧烈或过缓的时候，控制器（如单片机等）输出脉冲信号驱动电机，使转动盘旋转从而调整垂荡板的通孔开合大小，减缓或加剧垂荡板的运动，使垂荡板保持最佳的运动状态。

最后应说明的是：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 (7)

1.一种可变面积垂荡板，用于波浪能发电浮标，其特征在于，包括从上往下依次分布的上盖、旋转开合机构和固定盘，所述上盖为环形结构，所述固定盘的中心开设有通孔，所述上盖的外圈与固定盘的外圈固定连接，所述旋转开合机构安装于上盖和固定盘之间，所述上盖和固定盘之间安装有用于驱动旋转开合机构旋转的旋转驱动机构，所述旋转开合机构旋转时能够改变通孔的遮挡面积；

所述旋转开合机构包括转动盘和多个叶片，所述转动盘与上盖的内圈之间留有间隙，多个所述叶片关于通孔的中心对称分布，所述转动盘能够驱动多个叶片共同做开合动作；

所述转动盘的底面开设有上凹槽，所述固定盘的顶面开设有与上凹槽相对的下凹槽，多个所述叶片设置于上凹槽和下凹槽之间，所述叶片的一端转动安装于下凹槽内，所述叶片的另一端滑动安装于上凹槽内；

所述旋转驱动机构包括电机、蜗杆和蜗轮，所述电机固定于上盖和固定盘之间，所述电机的输出端与蜗杆固定连接，所述蜗杆与蜗轮相配合，所述蜗轮设置于转动盘上。

2.根据权利要求1所述的可变面积垂荡板，其特征在于，还包括基座，所述基座的底部具有多条间隔分布的长杆，所述长杆的下端与上盖的顶面固定连接。

3.一种波浪能发电浮标，所述波浪能发电浮标为振荡水柱式波浪能发电浮标，其特征在于，包括空气透平、发电浮标主体和如权利要求1所述的可变面积垂荡板，所述空气透平安装在发电浮标主体的中心管上部，所述可变面积垂荡板安装在发电浮标主体的底部。

4.一种如权利要求1所述的可变面积垂荡板的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10、获取单位时间间隔的采样波浪角频率；

S20、计算当前浮标的垂荡固有频率，根据所述采样波浪角频率与垂荡固有频率的差值，调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积，即调整可变面积垂荡板的面积，进而改变波浪能发电浮标的垂荡固有频率，使采样波浪角频率与垂荡固有频率相当。

5.根据权利要求4所述的可变面积垂荡板的控制方法，其特征在于，步骤S20中，根据所述采样波浪角频率与垂荡固有频率的差值，计算得出波浪能发电浮标改变垂荡固有频率所需的附加质量；根据所需的附加质量，计算得出波浪能发电浮标改变垂荡板面积所需的通孔遮挡面积；根据所需的通孔遮挡面积，调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积。

6.根据权利要求5所述的可变面积垂荡板的控制方法，其特征在于，步骤S20中，调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积的具体步骤为：

S21、设定波浪角频率时间采样间隔T；

S22、设定有功波浪角频率工作范围，有功波浪角频率下限为ω₁，有功波浪角频率上限为ω₂；

S23、检测采样波浪角频率ω；

S24、判断采样波浪角频率ω是否在有功波浪角频率工作范围内；若否，则停止波浪能发电浮标工作；若是，即ω₁＜ω＜ω₂，则计算浮标的垂荡固有频率ω _n ，计算公式如下：；

其中，m是波浪能发电浮标的质量，A ₃₃是波浪能发电浮标的附加质量，C是恢复力系数；

S25、判断采样波浪角频率ω是否等于垂荡固有频率ω _n ；若是，即ω＝ω _n ，则重复步骤S23至S24；若否，即ω≠ω _n ，则进入步骤S26；

S26、调整可变面积垂荡板的通孔遮挡面积，即调整可变面积垂荡板的面积，使波浪能发电浮标的附加质量A ₃₃改变，即可改变浮标的垂荡固有频率ω _n ，再重复步骤S25，直至采样波浪角频率ω等于垂荡固有频率ω _n ，即ω＝ω _n 。

7.根据权利要求6所述的可变面积垂荡板的控制方法，其特征在于，步骤S24中，波浪能发电浮标的附加质量A ₃₃与垂荡板面积有关，按以下公式近似计算：

；

其中，ρ是水的密度，S是垂荡板的面积，H ₀是水深度，h是垂荡板位于水下的深度。