控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪的方法及装置与流程

本发明涉及一种控制波浪能发电过程中对海平面进行跟踪的方法及装置，特别是一种控制浮筒式波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪的方法及装置。

背景技术：

海洋具有的能量总蕴藏量大，不占土地，无污染排放等特点，因而有越来越多的国家开始重视对海洋能资源的研究与开发，另外，海洋可再生能源将会是我国沿海地区未来重要的战略性新型能源。海洋波浪蕴藏着巨大的能量，通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电动机发电。全球有经济价值的波浪能开采量估计为1～10亿kw。中国波浪能的理论储量为7000万kw左右。

浮筒式波浪能发电装置的使用，是为了尽可能的获取更多的电能，也就是说使其的发电效率尽可能高。浮筒波浪能发电装置中，浮筒捕获的波浪能是整个装置的能量源泉，浮筒捕获波浪能的效率就决定了浮筒波浪能发电装置的发电效率。而在浮筒捕获波浪能时，潮差(相邻高潮潮位和低潮潮位的高度差称为潮差)成为了集能浮筒装置技术上的难题，也是发电系统工作时间长短的难题。

目前，波浪能发电系统装置中浮筒固定，不会随海水基准面(海平面)的改变而改变。当出现涨潮和落潮过程时，捕获波浪能的浮筒起伏位移将会受到影响，不能正常捕获波浪能而影响发电系统装置工作效率。在正常潮位时，浮筒捕获波浪能的工作示意图如图1所示，并且设定连接浮筒的支撑杆上下摆幅角度限制在30°以内(假定浮筒向上运动摆幅角度为+30°，向下摆幅角度为-30°)，此时，浮筒起伏位移为h0。因此，在正常潮位时，浮筒就能在±30°，起伏位移为h0的范围内摆动，从而捕获到波浪能，使系统装置工作发电。

涨潮过程中，海水基准面(海平面)会因潮涨而上升，但是由于捕获波浪能的浮筒是固定的，不能随着海水基准面(海平面)的上升而上升。因此，在高潮位时浮筒只能在0°～+30°摆幅角度内运动，浮筒起伏位移为h1，高潮位时浮筒工作简图如图1-3所示。此时，相比于正常潮位(如图2所示)时浮筒起伏位移h0时有h1<h0。换而言之，浮筒不能完全在波峰与波谷之间作往复运动，浮筒起伏位移将缩短，其捕获到的波浪能就会随着潮差的增大而减少，波浪能的利用率就会降低，波浪能发电装置的发电效率就会越少。甚至当海水基准面(海平面)上升距离大于等于浮筒横向支撑杆长度l的一半高度时，浮筒会低于或处于波谷时，则浮筒就完全淹没在水下不再捕获波浪能供波浪能发电系统工作。随后，海水基准面(海平面)继续上升时，波浪能发电装置仍处于不工作状态。

落潮过程中，海水基准面(海平面)会随着潮落而下降，但是由于捕获波浪能的浮筒是固定的，不能随着海水基准面(海平面)的下降而下降。因此，在低潮位时浮筒只能在0°～-30°摆幅角度里运动，浮筒起伏位移为h2，低潮位时浮筒工作简图如图3所示。此时，相比于正常潮位时浮筒起伏位移h0时有h2<h0。换而言之，浮筒不能完全在波峰与波谷之间作往复运动，浮筒捕获到的波浪能就会随着潮差的增大而减少，波浪能的利用率就会降低，波浪能发电装置的发电效率就会越少。甚至当海水基准面(海平面)下降距离大于等于浮筒横向支撑杆长度l的一半高度，浮筒高于或处于波峰时，浮筒就完全脱离水面不再捕获波浪能供波浪能发电系统工作。随后，海水基准面(海平面)继续下降时，波浪能发电装置仍处于不工作状态。

因此，现有波浪能发电装置中，由于浮筒固定，潮涨和潮落时，浮筒都不能正常捕获波浪能，使得发电装置就不能充分工作进行发电，从而使波浪能利用率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪的方法平面的方法及装置。本发明可以使浮筒浮动，潮涨和潮落时，浮筒能正常捕获波浪能，使得发电装置能充分工作进行发电，从而使波浪能利用率高。

本发明的技术方案：控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪的方法，该方法是通过光电检测海平面系统检测海平面，并控制浮筒移动平台随海平面运动；浮筒移动平台带动海平面检测系统和浮筒移动,使浮筒对海平面进行跟踪。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪的方法，所述通过光电检测海平面系统检测海平面，并控制浮筒移动平台随海平面运动；是通过设置高位检测器和低位检测器，海平面处于高位检测器与低位检测器之间，为正常潮位，电动机处于停止状态；海平面处于高位检测器上方，为涨潮位，电动机启动带动浮筒移动平台和浮筒向上移动；海平面处于低位检测器下方，为落潮位，电动机启动带动浮筒移动平台和浮筒向下移动。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪的方法平面的方法，所述电动机启动，是先启动时钟模块进行延时计时，计时时间到后，启动电动机。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪的方法平面的方法，所述高位检测器包括第一发光部分和第一光电转换部分，低位检测器包括第二发光部分和第二光电转换部分；发光部分和光电转换部分之间，设有直角三棱镜，直角三棱镜底部设有与海水连通的连通管；通过对直角三棱镜中的海水液面的检测来检测海平面的运动。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪所用的装置，包括浮筒，浮筒与浮筒移动平台连接，浮筒移动平台经连接杆与移动小车连接，移动小车上安装有电动机和光电检测海平面系统，移动小车和浮筒移动平台分别与支撑柱两侧的第一导轨和第二导轨配合。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪所用的装置，所述光电检测海平面系统，包括直角三棱镜，直角三棱镜底部设有与海水连通的连通管连通，直角三棱镜横向中心线的两侧分别设有高位检测器和低位检测器，高位检测器与经运算放大信号处理器与第三发光二极管连接；低位检测器经运算放大信号处理器与第四发光二极管连接。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪所用的装置，所述高位检测器，包括分别设置在直角三棱镜纵向中心线的两侧的第一发光部分和第一光电转换部分。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪所用的装置，所述第一发光部分，为第一发光二极管；所述第一光电转换部分，为第一光敏三极管。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪所用的装置，所述低位检测器，包括分别设置在直角三棱镜纵向中心线的两侧的第二发光部分和第二光电转换部分。

前述的控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪所用的装置，所述第二发光部分，为第二发光二极管；所述的第二光电转换部分，为第二光敏三极管。

申请人对本发明进行了大量的试验研究，部分如下：

1空气-水直角三棱镜设计原理

本发明采用光电检测的原理来自动跟踪海平面。光电检测海平面系统是根据光在两种折射率不同的物质之间传播时，将发生折射原理制成的，由于光线在经过空气或海水中的折射率不一样，光接收电路接收到的结果也就不一样。本光学系统中三棱镜是最重要的光学元件，光通过三棱镜会发生两次折射，从而改变出射光线的传播方向。光线通过充满空气的三棱镜时沿直线传播，接收器能接收到出射光线，光路图如图5所示；而光通过充满海水的三棱镜时，经过两次折射，出射光线的传播方向会发生偏移，从而接收器不能接收到出射光线，光路图如图6所示。

因此，就可以采用两组检测器的测量，再根据光通过空气和海水时，光接收电路接收到的信号进行比较，处理，从而判断海水基准面(海平面)的位置。此信号再经过51单片机处理，输出信号控制浮筒移动方向，实现浮筒自动控制跟踪海平面的功能。

1.1介质三棱镜入射光纤与出射光线的关系

如图6所示，一束光线以入射角为i从三棱镜ab面射入，折射角为r,这时光束在镜面ab上的偏向角为(i-r)。

此时，光线继续传播以入射角为i′射入三棱镜ac平面，折射角为r′。这时光束在镜面ac上的偏向角为(i′-r′)，令偏向角由“θ”表示。由几何关系可知，经过两次偏折后，光束的总偏向角为：

从式(1-1)可以看出，光线通过三棱镜产生的偏向角不仅与光线入射角i有关还与三棱镜的顶角a有关。取折射率n＝1.5的条件下，通过matlb软件分析式(1-1)，可以得到一个偏向角与入射角，顶角变化关系的一个三维图如下图7所示：其中z轴代表偏向角，x轴代表入射角，y轴代表顶角。

在此图中，能清晰的看到，在入射角与顶角无限接近最大值时，偏向角也取得最大值。

1.2介质三棱镜入射光纤与入射角变化的关系

如果光线从ab面射入经过三棱镜两次折射后，光线从ac平面出来，那么光线会存在一个最小入射角。当入射角小于光线最小入射角时，光线会在第二个折射面产生全反射，这就是我们常说的三棱镜全反射特性。下面我们将分析三棱镜全反射条件下，得出光线在ac面射出来的最小入射角。从而得出在给定的三棱镜，即顶角与三棱镜折射率一定的条件下，根据式(1-1)得出偏向角与入射角的变化规律。

当光线经过三棱镜发生两次折射，在第二次折射时产生全发射，光路图如图8所示，设三棱镜的顶角为a，折射率为n，光线以入射角i入射到平面三棱镜ab平面，折射角为r。折射光线又以入射角i′射到三棱镜ac面，并且恰好发生全反射即r′＝90。

此时的入射角称为三棱镜全发射时的最大入射角，即

由此，可以得到，当光线入射角大于全反射最大入射角时，光线会成三棱镜ac平面射出，从而产生偏向角如式(1-1)所示，此时，光线存在最小入射角也就是说入射角的取值范围为时，出射光线一定从ac面射出。换而言之，当入射光线的入射角小于最大入射角，即时，光线就在ac面上产生全反射。设n＝1.5.利用matlab可以得出最大入射角随顶角a的变化关系图如9示：

从图9可知，在顶角小于1.57(90°)时，最大入射角随顶角的增大近似于指数增长，当顶角达到1.57(90°)时，最大入射角为90°。超过了1.57(90°)时，最大入射角保持90°不变。也就是说当三棱镜的顶角等于1.57(90°)时，入射角以任意角度入射三棱镜，在ac面都会产生全反射而没有光线射出。

1.3出射光线与顶角变化的关系

根据式(1-1)可知，三棱镜偏向角与三棱镜的顶角有关，偏向角会随着顶角的改变而改变。由入射光线与入射角的关系可知，当入射角小于imax时，光线会在三棱镜ac面产生全反射，因此光线在ac面上射出，这时入射角存在最小入射角，且入射角小于等于90°。即入射角的取值范围为此时有：

因此，可以说要实现图1-4的光路图，那三棱镜的顶角a必存在一个最大值

取n＝1.5,则amax＝83.6206°，若a超过了最大顶角amax,则可能会发生图10的光路图。图10中光线会发生全反射，从而在三棱镜ac面无出射光线。因此，只要三棱镜的顶角大于时，那么光线均会在三棱镜ac面产生全反射，从而不会有光线从ac面射出。

有种特殊棱镜为直角棱镜，根据图10所示，取三棱镜的顶角a＝90°，则式(1-2)可简化为：

利用matlb软件得到最大入射角与折射率的变化曲线如下图11所示：

前面介绍了，如果入射光线的入射角小于最大入射角时，光线就在ac面上产生全反射，换句话说就是当入射光线大于最大入射角时，则光线就不能再ac面上产生全反射。由图11可知发生全反射的最大入射角imax随折射率的增大而增大的。当折射率n≥1.41时，最大入射角为90°，所以入射光线不论以多大的入射角入射时，在直角三棱镜ac面上总能发生全发射，此时其光路图如图12所示：

经过以上分析，相比之前得出的几种光在ac面上发生全反射所需的对入射角，顶角的限制条件下，直角三棱镜更容易得到光线的全反射。因为无论入射角如何射入三棱镜，光线都会产生全反射，即光线不会从三棱镜ac面上射出。在本光学系统中，当光线平行水平面的方向入射充满空气的三棱镜时，光线会直线通过三棱镜，从而在对面同一平面的接收器能接受到光照，同样的装置，光线通过充满海水的三棱镜时，光在ac面发生全发射，因而接收器会接收不到任何光。从而达到设计所需的结果。因此，系统设计中，我们采用直角三棱镜作为光学元件，光线平行于水平面方向射入直角三棱镜的直角边。

2系统检测电路图

海平面光电检测系统电路原理图如图13所示，整个检测系统电路由两组光检测器件发光二极管led1-光敏三极管d1，发光二极管led2-光敏三极管d2，电阻r1、r2为限流电阻；电阻r3、r4与光敏三极管d1、d2组成光电转换部分；电阻r5、r6与运算放大信号处理器组成了比较电路。电路输出端分别连接at89c51芯片的p1.0端口和p1.1端口，作为at89c51芯片的输入信号。

传感器在工作中，当海水基准海平面在两组检测点中间位置时，三棱镜中高位检测器led1-d1间不存在海水，当led1发出光照时，光线会沿空气直接传播被光敏三极管d1接收。光敏三极管接收光后，其基极会产生一个大的电流使三极管导通，然后在经过运算放大信号处理器的处理，输出信号会使二极管led3会不亮，p1.0端口为低电平。低位检测器led2-d2间存在海水，当led2发出光照时，光线会在通过充满海水的直角三棱镜中会发生全反射，从而不会被光敏三极管d2接收，此时，其基极会产生电流很小使三极管截止，然后在经过运算放大信号处理器的处理，输出信号会使二极管led4点亮，p1.1端口为高电平。

涨潮时，海水基准海平面就会处于两组检测器之上，此时检测器led1-d1与led2-d2之间都存在海水，则输出信号使led3与led4均点亮，p1.0端口与p1.1端口均为高电平。此时，为了降低涨潮的影响，浮筒要随海平面上升，光电检测传感器和浮筒均要上移，直到led3不亮时就停止向上移动，此时海平面处于两检测器之间。落潮时，海平面就会处于两组检测器之下，此时检测器led1-d1与led2-d2之间都不存在海水，则输出信号使led3与led4均不亮，p1.0端口与p1.1端口均为低电平。此时，为了降低落潮的影响，浮筒要随海平面下降，光电检测传感器和浮筒均要下移，直到led4点亮时就停止向下移动，此时海平面处于两检测点之间。从而达到检测海平面液位的目的。与现有技术相比，本发明通过采用两组光检测系统的测量，再根据光通过空气和海水时，光接收电路接收到的信号进行比较，处理，从而判断海平面的位置，此信号再经过单片机处理，输出信号控制浮筒移动方向，实现浮筒自动控制跟踪海平面的功能。即，本发明可对海平面进行检测和跟踪，使浮筒在潮涨时能随海平面的上升而上升，潮落时随海平面的下降而下降，从而降低了潮差的影响，捕获到更多的波浪能，使发电装置能在大潮差海域中继续工作，延长了波浪能发电装置工作时间，从而提高波浪能发电装置对波浪能的利用率以及其发电的稳定性。因此，本发明可以使浮筒浮动，潮涨和潮落时，浮筒能正常捕获波浪能，从而使波浪能利用率高，使得发电装置能正常工作进行发电。

附图说明

图1是现有发电装置中，正常潮位时浮筒工作示意简图；

图2是现有发电装置中，涨潮时浮筒工作示意简图；

图3是现有发电装置中，低潮位时浮筒工作示意简图；

图4是本发明的结构示意图；

图5是光学检测中光电转换部分示意图；

图6是光线在三棱镜主截面光路图；

图7是偏向角与入射角和顶角变化关系的三维图；

图8是光在三棱镜主截面最大入射角光路图；

图9是最大入射角与顶角的关系图；

图10是光三棱镜主截面入射角大于amax的光路图；

图11是最大入射角与折射率的关系曲线；

图12是a＝90°的三棱镜主截面光路图；

图13是光电检测海平面系统电路原理图。

附图中的标记为：1-浮筒，2-连接杆，3-移动小车，4-电动机，5-支撑柱，6-第一轨道，7-光电检测海平面系统，8-浮筒移动平台，9-第二轨道，10-直角三棱镜，vcc-电源，11-运算放大器，12-连通管，led1-第一发光二极管，led2-第二发光二极管，d1-第一光敏三极管，d2-第二光敏三极管，led3-第三发光二极管，led4-第四发光二极管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。

控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪的方法，正常潮位时，海平面在高位检测器与低位检测器之间，高位检测器的第一发光二极管led1-第一光敏三极管d1之间的直角三棱镜10中不存在海水，当第一发光二极管led1发出光照时，光线会沿空气直接传播被第一光敏三极管d1接收，第一光敏三极管d1接收光后，第一光敏三极管d1导通，运算放大信号处理器11有检测信号的输入，经运算放大信号处理器11处理后输出信号，输出的信号使第三发光二极管led3不亮，此时第三发光二极管led3与芯片的连接端口(如图13中的p1.0端口)为低电平；低位检测器的第二发光二极管led2-第二光敏三极管d2之间的直角三棱镜10中存在海水，当第二发光二极管led2发出光照时，光线通过充满海水的直角三棱镜10中会发生全反射，从而不会被第二光敏三极管d2接收，第二光敏三极管d2截止，运算放大信号处理器11有检测信号的输入，然后经过运算放大信号处理器11的处理输出一个信号，输出的信号会使第四发光二极管led4点亮，此时第四发光二极管led4与芯片的连接端口(如图13中的p1.1端口)为高电平；继电器不工作，电动机4处于停止状态；

涨潮时，海平面会处于高位检测器之上，高位检测器的第一发光二极管led1-第一光敏三极管d1及低位检测器的第二发光二极管led2-第二光敏三极管d2之间的直角三棱镜10中均存在海水，则第三发光二极管led3与第四发光二极管led4均点亮，此时第四发光二极管led4与芯片的连接端口(如图13中的p1.1端口)及第三发光二极管led3与芯片的连接端口(如图13中的p1.0端口)均为高电平，从而继电器吸合工作，电动机4所在电路接通，电动机4开始正转带动移动浮筒平台8向上移动，浮筒移动平台8带动浮筒1向上移动，直到第三发光二极管led3不亮时就停止向上移动，此时海平面处于高位检测器和低位检测器之间。

落潮时，海平面会处于海平面会处于低位检测器之下，高位检测器的第一发光二极管led1-第一光敏三极管d1及低位检测器的第二发光二极管led2-第二光敏三极管d2之间的直角三棱镜10中均不存在海水，则输出信号使第三发光二极管led3与第四发光二极管led4均亮，此时第四发光二极管led4与芯片的连接端口(如图13中的p1.1端口)及第三发光二极管led3与芯片的连接端口(如图13中的p1.0端口)均为低电平，继电器不工作，电动机处于停止状态；与此同时，时钟模块开始工作进行倒计时，当时钟显示为00时，计时时间到后，从而继电器吸合工作，电动机4所在电路接通，电动机4开始反转带动浮筒移动平台8向下移动，浮筒移动平台8带动浮筒1向下移动，直到第四发光二极管led4点亮时，就停止向下移动，此时海平面处于高位检测器和低位检测器之间。

实施例2.

控制波浪能发电装置中浮筒对海平面进行跟踪所用的装置，构成如图4和图13所示，包括浮筒1，浮筒1与浮筒移动平台8连接，浮筒移动平台8经连接杆2与移动小车3连接，移动小车3上安装有电动机4和光电检测海平面系统7，移动小车3和浮筒移动平台8分别与支撑柱5两侧的第一导轨6和第二导轨9配合；

所述光电检测海平面系统7包括直角三棱镜10，直角三棱镜10底部设有与海水连通的连通管12连通，直角三棱镜10横向中心线的两侧分别设有高位检测器和低位检测器，高位检测器与经运算放大信号处理器11与第三发光二极管led3连接；低位检测器经运算放大信号处理器11与第四发光二极管led4连接。

所述高位检测器，包括分别设置在直角三棱镜10纵向中心线的两侧的第一发光部分和第一光电转换部分；所述第一发光部分，为第一发光二极管led1；所述第一光电转换部分，为第一光敏三极管d1。

所述低位检测器，包括分别设置在直角三棱镜10纵向中心线的两侧的第二发光部分和第二光电转换部分；所述第二发光部分，为第二发光二极管led2；所述的第二光电转换部分，为第二光敏三极管d2。

工作原理：正常潮位时，海平面处于光电检测海平面系统7中的高位检测器和低位检测器之间，光电检测海平面系统7不会发出信号，电动机4不工作，浮筒移动平台8静止，位置不改变。

涨潮时，海平面上升，海平面上升至高位检测器上方时，光电检测海平面系统7会发出一个信号，电动机4工作，带动浮筒移动平台8和浮筒1向上移动，从而控制浮筒移动平台8随海平面上升而上升，此时，浮筒移动平台8也会带动光电检测海平面系统7向上移动对海平面作重新检测，直到光电检测海平面系统7重新检测到海平面处于高位检测器和低位检测器之间，光电检测海平面系统7就会停止发出信号，电动机4停止工作，使浮筒移动平台8停止移动。

落潮时，海平面下降，海平面下降至低位检测器下方时，光电检测海平面系统7会发出一个信号，电动机4工作，带动浮筒移动平台8和浮筒1向下移动，从而控制浮筒移动平台8随海平面下降而下降，此时，浮筒移动平台8也会带动光电检测海平面系统7向下移动对海平面作重新检测，直到光电检测海平面系统7重新检测到海平面处于高位检测器和低位检测器之间，光电检测海平面系统7就会停止发出信号，电动机4停止工作，使浮筒移动平台8停止移动。