一种阵列式振荡扑翼波浪能宽频采集与转换系统及控制方法与流程

本发明涉及波浪能发电技术领域，特别是一种阵列式振荡扑翼波浪能宽频采集与转换系统及控制方法。

背景技术：

随着地球能源的衰竭，人们对可再生能源需求愈发强烈。波浪能是一种储量丰富且清洁的可再生能源，对波浪能的采集发电研究正日益受到重视。海洋波浪能采集发电装置的作用是把海洋波浪能采集并转换成电能。采集转换的电能可以直接储存或者向海上平台、远距离的用电设备进行供电。在考虑资金投入及各项成本的情况下，如何能更有效的采集波浪能，如何稳定的转换为电能，是现阶段的关键问题。现有的波浪能采集发电装置稳定性差，造价昂贵，采集转换效率低下，输出功率不稳定。

技术实现要素：

基于此，本发明为了克服现有技术下波浪能采集发电技术的可靠性差、采集转换效率低和自动化程度低等问题。提供了一种阵列式振荡扑翼波浪能宽频采集与转换系统，能够准确地实施海洋波浪能采集转换及其控制，优化了海洋波浪能的采集效率。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种阵列式振荡扑翼波浪能宽频采集与转换系统，它包括用于固定安装整个系统的海上固定平台，所述海上固定平台的两侧搭载有多套用于收集波浪能的能量采集机构，所述能量采集机构驱动用于能量转换的能量转换装置相连，所述能量转换装置的输出端与用于产生电能的发电机组相连，所述发电机组的电能输出端通过变流器与工业用电的电网相连，所述能量采集装置、能量转换装置和变流器与控制系统相连。

所述能量采集机构包括与波浪接触的振动扑翼浮子，所述振动扑翼浮子固定安装在摇臂的末端，所述摇臂的另一末端通过第二销轴铰接在海上固定平台的侧边缘，所述摇臂的中间部位通过第一销轴与能量转换装置的多腔液压缸铰接。

所述能量采集机构采用阵列式排列，并对称布置在海上固定平台的两侧。

所述能量转换装置包括多腔液压缸，所述多腔液压缸的缸体通过第三销轴铰接在海上固定平台的侧边缘上，所述多腔液压缸的多个腔体输出端分别连接有油路管线，每条所述油路管线上并联有低压开关阀和高压开关阀；所述低压开关阀之后连接有低压管线，所述高压开关阀之后连接有高压管线，所述高压管线与液压马达相连；所述液压马达的输出轴与发电机组相连；所述多腔液压缸的缸体内部安装有活塞杆，所述活塞杆的末端与能量采集机构的摇臂铰接。

所述多腔液压缸分为两个缸体；包括第一缸体和第二缸体，所述第一缸体内部设有第一活塞腔，所述第一活塞腔内设有第一活塞，所述第一活塞将所述第一活塞腔分成第一下腔和第一上腔；所述第二缸体内部设有第二活塞腔，所述第二活塞腔内设有第二活塞，所述第二活塞将该第二活塞腔分成第二下腔和第二上腔；所述第二活塞通过连接杆与所述第一活塞连接，所述第一活塞腔和第二活塞腔通过油管连接有多腔油缸低压管线、多腔油缸高压管线和多腔液压缸蓄能器，所述多腔油缸低压管线和多腔油缸高压管线分别于油路管线相连。

所述高压管线上安装有多个蓄能器和气体蓄电池；所述能量转换装置的液压回路上安装有溢流阀。

所述第一下腔、第一上腔、第二下腔和第二上腔的腔体内部分别安装有用于监测腔体内部压力的压力传感器，所述压力传感器信号线与控制系统相连，所述控制系统的信号输出端通过信号线与能量转换装置的低压开关阀和高压开关阀相连，并控制其开启和关闭以形成高低压压差驱动液压马达。

所述发电机组和变流器均设置有多套，并与波浪能采集机构和能量转换装置数量对应。

任意一项所述一种阵列式振荡扑翼波浪能宽频采集与转换系统的控制方法，所述控制系统中设有最小能量损失算法，计算出多个低压开关阀和高压开关阀所构成的阀组开关控制矩阵来控制各压力线相应开关阀的开关，产生不同情况的油路；所述多腔液压缸根据不同油路输出作用力对摇臂进行主动控制调整，使得振动扑翼浮子与波浪夹角达到最优采集角度。

所述最小能量损失算法为：

其中eshift表示力x到y切换的能量损失；p为油缸压强；v为油缸各腔室固定体积尺寸；β为油缸各腔室恒定有效体积模量；控制器选择最小能量损失的力变化，并增加设定了允许切换频率的固定时间间隔限制tmin。

本发明有如下有益效果：

1、通过采用本发明的技术方案，在作业过程中，通过能量采集机构由多对阵列式振动扑翼浮子组成，进而大幅度的提高波浪能采集量。能量采集机构的关键部件为多腔液压缸，其结构特点适用于随机波浪。变流器的电流输出端连接工业所用电网。波浪能采集转换系统通过振荡扑翼浮子将波浪能转换为随机机械能，能量转换装置中液压系统将随机机械能转换为额定液压能，液压马达驱动发电机发电，从而输出电能。通过变流器转换为电网电压、频率相同的电流，也可直接作为工业用电。

2、通过所述的能量采集机构，其振动扑翼浮子固定分布于机架左右两边，呈现阵列式排列，进而能够最大范围内收集波浪能，最终提高能量的转换。

3、所述控制系统采用最小能量损失算法，计算出阀组开关控制矩阵来控制各压力线相应开关阀的开关，产生不同情况的油路；多腔油缸根据不同油路输出作用力对连接摇臂进行主动控制调整，使得振荡扑翼浮子与波浪夹角达到最优采集角度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1本发明的波浪能发电系统组成示意图。

图2本发明的系统能量转换装置示意图。

图3本发明的多腔液压缸结构示意图。

图中：海上固定平台101、控制系统102、能量采集机构103、能量转换装置104、发电机组105、变流器106；

振动扑翼浮子201、摇臂202、第一销轴203、多腔液压缸204、第二销轴205、第三销轴206、油路管线207、高压开关阀208、高压管线209、低压管线2010、蓄能器2011、液压马达2012、溢流阀2015、气体蓄电池2016；

多腔液压缸蓄能器301、多腔油缸低压管线302、多腔油缸高压管线303、第二上腔304、第二活塞305、第二下腔306、第一上腔307、第一活塞308、第一下腔309、活塞杆3010。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-3，一种阵列式振荡扑翼波浪能宽频采集与转换系统，它包括用于固定安装整个系统的海上固定平台101，所述海上固定平台101的两侧搭载有多套用于收集波浪能的能量采集机构103，所述能量采集机构103驱动用于能量转换的能量转换装置104相连，所述能量转换装置104的输出端与用于产生电能的发电机组105相连，所述发电机组105的电能输出端通过变流器106与工业用电的电网相连，所述能量采集装置103、能量转换装置104和变流器106与控制系统102相连。通过采用上述结构的波浪能宽频采集与转换系统，工作过程中，通过能量采集机构103直接与海上的波浪进行接触，进而对波浪能进行有效的采集，采集之后的波浪能将驱动能量转换装置104，通过能量转换装置104将驱动发电机组105，进而通过发电机组105产生电能，再由发电机组105将电流传输给变流器106，通过变流器106将电能传输到工业用电的电网，最终实现整个波浪能的收集转化和运用。

参见图2，为了实现最大范围内波浪能的采集和利用，采用了如下的能量采集机构，所述能量采集机构103包括与波浪接触的振动扑翼浮子201，所述振动扑翼浮子201固定安装在摇臂202的末端，所述摇臂202的另一末端通过第二销轴205铰接在海上固定平台101的侧边缘，所述摇臂202的中间部位通过第一销轴203与能量转换装置104的多腔液压缸204铰接。工作过程中，通过振动扑翼浮子201与波浪直接接触，波浪将带动上述的振动扑翼浮子201随波浪运动，进而由振动扑翼浮子201驱动摇臂202，再通过摇臂202驱动能量转换装置104，进而实现

进一步的，所述能量采集机构103采用阵列式排列，并对称布置在海上固定平台101的两侧。通过上述的布置方式，能够能更大化的提高能量采集量。在具体项目的实施过程中，可以根据需要布置多套上述的能量采集机构103。

进一步的，所述能量转换装置104包括多腔液压缸204，所述多腔液压缸204的缸体通过第三销轴206铰接在海上固定平台101的侧边缘上，所述多腔液压缸204的多个腔体输出端分别连接有油路管线207，每条所述油路管线207上并联有低压开关阀2017和高压开关阀208；所述低压开关阀2017之后连接有低压管线2010，所述高压开关阀208之后连接有高压管线209，所述高压管线209与液压马达2012相连；所述液压马达2012的输出轴与发电机组105相连；所述多腔液压缸204的缸体内部安装有活塞杆3010，所述活塞杆3010的末端与能量采集机构103的摇臂202铰接。通过采用上述结构的能量转换装置104，工作过程中，通过活塞杆3010在多腔液压缸204内部做活塞运动，进而驱动活塞运动，最终产生液压能。

参见图3，为了保证能量实现最大程度的转换，所述多腔液压缸204分为两个缸体；包括第一缸体和第二缸体，所述第一缸体内部设有第一活塞腔，所述第一活塞腔内设有第一活塞308，所述第一活塞308将所述第一活塞腔分成第一下腔309和第一上腔307；所述第二缸体内部设有第二活塞腔，所述第二活塞腔内设有第二活塞305，所述第二活塞305将该第二活塞腔分成第二下腔306和第二上腔304；所述第二活塞305通过连接杆与所述第一活塞308连接，所述第一活塞腔和第二活塞腔通过油管连接有多腔油缸低压管线302、多腔油缸高压管线303和多腔液压缸蓄能器301，所述多腔油缸低压管线302和多腔油缸高压管线303分别于油路管线207相连。多腔室液压缸204的结构特点使得其能够采集吸收更大范围频率的波浪能

优选的方案，为消除采集转换过程中的压力波动，得到稳定液压能转换为稳定输出电能的期望。所述高压管线209上安装有多个蓄能器2011和气体蓄电池2016；所述能量转换装置104的液压回路上安装有溢流阀2015。通过蓄能器2011和气体蓄电池2016，吸收脉动冲击，且可以有效补偿温度降低、内部和外部泄露导致的压力降低，平稳系统；通过能量转换装置104的液压油路中连接有溢流阀2015，起到安全保护作用，稳定回路压力，使得转换装置运动部件的平稳性增加。

进一步的，所述第一下腔309、第一上腔307、第二下腔306和第二上腔304的腔体内部分别安装有用于监测腔体内部压力的压力传感器，所述压力传感器信号线与控制系统102相连，所述控制系统102的信号输出端通过信号线与能量转换装置104的低压开关阀2017和高压开关阀208相连，并控制其开启和关闭以形成高低压压差驱动液压马达2012。通过上述的自动控制系统，作业过程中，传感器识别各腔压力大小，并将信号传递给控制系统102，控制系统102打开低压开关阀2017或高压开关阀208接通相应压力等级管线，形成高低压压差产生的液压能驱动液压马达2012，使得摇臂202的随机机械能转换为液压能。

为了适应多个波浪能采集机构103，进而达到最佳的能量采集效率，所述发电机组105和变流器106均设置有多套，并与波浪能采集机构103和能量转换装置104数量对应。上述的结构能够最大范围内提高能量转化。

实施例2：

任意一项所述一种阵列式振荡扑翼波浪能宽频采集与转换系统的控制方法，所述控制系统102中设有最小能量损失算法，计算出多个低压开关阀2017和高压开关阀208所构成的阀组开关控制矩阵来控制各压力线相应开关阀的开关，产生不同情况的油路；所述多腔液压缸204根据不同油路输出作用力对摇臂202进行主动控制调整，使得振动扑翼浮子201与波浪夹角达到最优采集角度。

所述最小能量损失算法为：

其中eshiftx，y表示力x到y切换的能量损失；p为油缸压强；v为油缸各腔室固定体积尺寸；β为油缸各腔室恒定有效体积模量；控制器选择最小能量损失的力变化，并增加设定了允许切换频率的固定时间间隔限制tmin。

通过本本发明的控制法，是通过最小能量损失算法控制波浪能采集装置的运动角度，使其在波浪力、重力等综合受力下相位差接近为零，从而可以使波浪能采集与海洋波浪之间的运动状态达到共振，进而可以最大化地进行海洋波浪能采集。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。