阅读说明：本技术 一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保系统及自保方法 (Self-protection system and self-protection method of wave energy power generation device in extreme marine environment ) 是由 于通顺 唐渔滢 史宏达 唐俊辉 徐昱 赵子帅 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保系统及自保方法,所述的自保系统包括两根底部深埋于海底、顶部露出海面的圆柱刚体导向柱,在导向柱的顶端安装工作平台升降装置,在工作平台升降装置的顶端安装工作平台,在工作平台的内部安装控制器、单片机、电磁继电器和蓄电池,在工作平台的顶部安装吸振块升降装置,在吸振块升降装置的顶部安装吸振块。本发明所公开的自保系统及自保方法,利用动力吸振器原理,将极端海况时浮子和工作平台的剧烈振动过渡到与工作平台固定连接的吸振块上,致使吸振块对工作平台和浮子的作用力正好平衡了工作平台与浮子所直接受到的波浪力,也就是利用吸振块吸收浮子和工作平台的振动能量,来达到降低浮子和工作平台剧烈振动的目的。(The invention discloses a self-protection system and a self-protection method of a wave energy power generation device in an extreme marine environment, wherein the self-protection system comprises two cylindrical rigid guide columns, the bottoms of the two cylindrical rigid guide columns are deeply buried in the sea bottom, the tops of the two cylindrical rigid guide columns are exposed out of the sea surface, a working platform lifting device is installed at the top ends of the guide columns, a working platform is installed at the top ends of the working platform lifting device, a controller, a single chip microcomputer, an electromagnetic relay and a storage battery are installed in the working platform, a vibration absorption block lifting device is installed at the top of the working platform, and a vibration absorption block is installed at the top of the vibration absorption. The self-protecting system and the self-protecting method disclosed by the invention utilize the principle of a dynamic vibration absorber to transfer the violent vibration of the floater and the working platform under extreme sea conditions to the vibration absorber fixedly connected with the working platform, so that the acting force of the vibration absorber on the working platform and the floater just balances the wave force directly borne by the working platform and the floater, namely the vibration energy of the floater and the working platform is absorbed by the vibration absorber, and the aim of reducing the violent vibration of the floater and the working platform is fulfilled.)

一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保系统及自保方法

技术领域

本发明属于波浪能发电装置领域，特别涉及该领域中的一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保系统及自保方法。

背景技术

在遇到极端恶劣海况时，近岸式振荡浮子波能发电装置的浮子与工作平台将受到巨大的风浪冲击，既可能使浮子结构遭到破坏，又可能使工作平台因振幅过大发生失稳和倾覆，这都将严重影响波能发电装置的寿命和工作性能。因此有必要使波能发电装置在面对极端恶劣海况时能及时判断自身的振动情况，并自动有效地做出自保措施，但是现有的波能发电装置大多没有自保功能，在极端恶劣海况发生时，波能发电装置工作平台上的一些电力设备以及浮子本身，往往会因得不到及时的保护而被摧毁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保系统及自保方法。

本发明采用如下技术方案：

一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保系统，其改进之处在于：所述的自保系统包括两根底部深埋于海底、顶部露出海面的圆柱刚体导向柱，在导向柱的顶端安装工作平台升降装置，在工作平台升降装置的顶端安装工作平台，在工作平台的内部安装控制器、单片机、电磁继电器和蓄电池，在工作平台的顶部安装吸振块升降装置，在吸振块升降装置的顶部安装吸振块，此外还有一个圆柱型浮子穿在两根导向柱上，该圆柱型浮子漂浮在海面上并可沿着两根导向柱上下滑动，在圆柱形浮子的顶部正对电磁继电器的位置安装铁块，在圆柱形浮子内安装发电系统和振动传感器，单片机分别与振动传感器、控制器和电磁继电器电连接，单片机根据从振动传感器得到的振动参数通过控制器控制工作平台升降装置和吸振块升降装置的升降，发电系统的电力输出端与蓄电池电连接，由蓄电池为自保系统中的各部件供电。

进一步的，工作平台通过焊接方式固定安装在工作平台升降装置的顶端。

进一步的，工作平台升降装置的底部镶嵌固定在导向柱的顶部；吸振块升降装置镶嵌焊接安装在工作平台内部。

进一步的，吸振块为大密度、小体积的质量块。

进一步的，在工作平台底部正对电磁继电器的位置设置圆形凹槽，铁块则为圆形铁块。

进一步的，工作平台升降装置和吸振块升降装置均为伸缩式拉压杆。

一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保方法，使用上述的自保系统，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)振动传感器实时感应圆柱型浮子的振动位移幅值并传输给单片机，单片机对感应数据进行实时、全面、多功能的智能处理；

(21)在正常海况下，振动位移幅值在预设的安全范围内，圆柱型浮子随波浪做上下垂荡运动，带动其内部的发电系统发电，发电系统发出的电可输出至蓄电池储存；

(22)在极端海况下，振动位移幅值超过预设的安全过渡范围，单片机通过控制器控制吸振块升降装置带动吸振块上升，上升高度由单片机根据振动位移幅值实时调整，单片机还接通电磁继电器并通过控制器控制工作平台升降装置下降，下降至可通过电磁继电器的磁力吸引铁块把圆柱型浮子吸到工作平台底部为止，此时圆柱型浮子和工作平台成为一个整体，由吸振块将这一整体的位移幅值调整在安全过渡范围内；

(221)在海面恢复正常海况时，振动位移幅值重新降到预设的安全范围时，单片机通过控制器控制吸振块升降装置带动吸振块下降至初始位置，单片机还断开电磁继电器并通过控制器控制工作平台升降装置上升至初始位置，断开电磁继电器后磁力消失，圆柱型浮子重新落回海面，继续随波浪垂荡发电。

进一步的，步骤(1)中振动传感器实时感应圆柱型浮子的振动位移幅值，单片机根据振动位移的一般运动方程X＝X_msin2πft来确定振动位移X，X_m代表振动位移幅值、f代表振动频率。

进一步的，圆柱型浮子的振动位移幅值安全范围可以设为0-0.3m、安全过渡范围可以设为0.3-0.5m，不同的波能发电装置在实际海况条件下可以依据具体环境设置参数范围。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的自保系统及自保方法，利用动力吸振器原理，将极端海况时浮子和工作平台的剧烈振动过渡到与工作平台固定连接的吸振块上，致使吸振块对工作平台和浮子的作用力正好平衡了工作平台与浮子所直接受到的波浪力，也就是利用吸振块吸收浮子和工作平台的振动能量，来达到降低浮子和工作平台剧烈振动的目的，避免工作平台在恶劣海况下倾覆，同时利用磁力把圆柱型浮子吸到工作平台底部，降低了圆柱型浮子的剧烈振动，并保护其自身结构免受破坏。从而在极端海况下对波能发电装置做出及时、有效的保护。

本发明所公开的自保系统及自保方法，针对极端海况下波能发电装置将遭受风浪极大冲击并引发剧烈振动的情况，充分利用动力吸振器原理，通过升降装置带动吸振块上升来充当上层结构，而工作平台则与圆柱型浮子一体作为下层结构，在相连的上层结构振动时可以消除下层结构的振动，以此降低工作平台所遭受的冲击，并减小整个波能发电装置的振动，同时还能避免浮子结构被破坏。可以实时、有效地对波能发电装置做出保护，最大限度的消减工作平台在极端海况时的振动，有力的保障了浮子自身的安全；能实现对振动参数的自动监测和吸振块上升高度的自动调整，保护效率高，能适应于不同的极端海况。

本发明所公开的自保系统结构简单、制作方便、占用空间小且成本低，可有效避免工作平台在极端海况下发生倾覆。

附图说明

图1是本发明所利用之动力吸振器原理的示意图；

图2是本发明实施例1所公开自保系统在正常海况下的结构示意图；

图3是本发明实施例1所公开自保系统在极端海况下的结构示意图；

图4是未采取自保措施的数值模型图；

图5是采取了自保措施的数值模型图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，以双自由度钢架体系在简谐荷载下的强迫振动为例，上下层结构的位移幅值分别为：

D₀＝(k₁₁-θ²m₁)(k₂₂-θ²m₂)-k₁₂k₂₁ (3)

F_p(t)＝F_psinθt (4)

其中k₁₁＝k₁+k₂，k₁₂＝k₂₁＝-k₂，k₂₂＝k₂，k₁和k₂分别为下杆和上杆的刚度系数；Y₂和Y₁为系统上下层结构的位移幅值；m₁为主系统质量，m₂为附加系统质量；F_p1和F_p2分别作用在下层结构和上层结构的简谐荷载，θ为荷载频率，其中荷载幅值F_p1＝F_p，F_p2＝0。

当没有上层结构吸振时，下层结构的位移为：

其中ω为结构的自振频率，当满足k₂＝θ²m₂这个条件时

Y₁＝0 (6)

即下层结构的位移幅值为0。该自保系统中吸振块的质量m₂为：

且由于大密度、小体积导致其上升后所受风荷载也较小，即荷载幅值F_p2接近于0；F_p1为浮子所受的波浪荷载，由于浮子的体积较大，因此极端海况时所受到的波浪力巨大，这会导致浮子内部剧烈振动；因此当整个系统较易满足k₂＝θ²m₂这个条件时，可以有效降低下层结构的位移幅值，即最大程度的减小了浮子和工作平台的剧烈振动。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保系统，所述的自保系统包括两根底部深埋于海底、顶部露出海面的圆柱刚体导向柱8，在导向柱的顶端安装工作平台升降装置4，在工作平台升降装置的顶端安装工作平台2，在工作平台的内部安装控制器3、单片机、电磁继电器10和蓄电池11，在工作平台的顶部安装吸振块升降装置9，在吸振块升降装置的顶部安装吸振块1，此外还有一个圆柱型浮子6穿在两根导向柱上，该圆柱型浮子漂浮在海面上并可沿着两根导向柱上下滑动，在圆柱形浮子的顶部正对电磁继电器的位置安装铁块5，在圆柱形浮子内安装发电系统7和振动传感器12，单片机分别与振动传感器、控制器和电磁继电器电连接，单片机根据从振动传感器得到的振动参数通过控制器控制工作平台升降装置和吸振块升降装置的升降，发电系统的电力输出端与蓄电池电连接，由蓄电池为自保系统中的各部件供电。

在本实施例中，工作平台通过焊接方式固定安装在工作平台升降装置的顶端。工作平台升降装置的底部镶嵌固定在导向柱的顶部；吸振块升降装置镶嵌焊接安装在工作平台内部。吸振块为大密度、小体积的质量块。在工作平台底部正对电磁继电器的位置设置圆形凹槽，铁块则为圆形铁块，圆形铁块被磁力吸至圆形凹槽后，可增加圆柱形浮子与工作平台的接触面积，使两者更好的成为一体。工作平台升降装置和吸振块升降装置均是由高强度材料制成的伸缩式拉压杆。

此自保系统的工作原理是依靠动力吸振器原理，即双自由度体系在荷载作用下强迫振动时，通过相连的上层结构振动可以消除下层结构的振动。因此，在极端海况发生时，吸振块通过吸振块升降装置向上升起充当上层结构，与圆柱形浮子和工作平台这一整体组成双自由度体系，当满足k₂＝θ²m₂时，Y₁＝0，此时圆柱形浮子和工作平台的振动位移幅值为0。工作平台受到的风荷载较小，可以忽略，而圆柱形浮子由于体积较大，极端海况时所受到的波浪力巨大，因此对极端海况下装置的状态进行数值模拟以说明本实施例所公开自保系统的使用情况。

装置情况：导向柱长为10m，直径D₁＝0.15m，弹性模量E₁＝2.06×10¹¹Pa(N/m²)；圆柱形浮子参数：直径D＝3.6m，高h＝2.4m，与工作平台质量合计5t；吸振块升降装置的弹性模量E₂＝2.678×10¹¹Pa(N/m²)，直径为0.04m；设极端海况的波浪参数：波高H＝3m、周期T＝8s、波长71m、波数0.088、水深d＝10m。圆柱形浮子的水平波浪力可由莫里森方程求得

已知系数：C_D＝1.2，C_M＝2，代入数据，由公式(9)可得F_p1＝f_H＝78.412kN；吸振块的允许位移设为Y₂＝1m，由公式(7)可知k₂＝78.412kN/m，荷载频率因此由公式(8)可知，m₂＝127.12kg，吸振块长2m，宽0.2m，高0.05m，其密度为6356kg/m³，为高密度材料制成，且其体积较小，当极端海况下升起时所受风荷载较浮子所受波浪力小很多，即荷载幅值F_p2接近0；由公式(5)可知，极端海况下未采取保护措施时下层结构的位移Y₁＝0.64m；同时根据k₂计算出吸振块的伸高距离为2.17m，满足设计要求。因此用127.12kg的吸振块可以将7.8吨力的冲击所消除，可以极大的保护圆柱形浮子及其内部结构的稳定。

通过进行数值试验说明本方法的可行性。依据上述参数建立数值模型，极端海况下在未采取自保措施时，数值模型如图4所示，工作平台在波浪的作用下最大位移约为0.64m；采取自保措施后数值模型如图5所示，此时吸振块的振幅为1m，升高距离为2.17米，满足设计要求，此时圆柱形浮子与工作平台在波浪作用下的最大位移约为0.08m，很好地保护了振荡浮子及工作平台上的电机等设备，避免在极端海况下因工作平台的剧烈晃动而导致电机等设备损坏。

本实施例还公开了一种在极端海洋环境中波能发电装置的自保方法，使用上述的自保系统，包括如下步骤：

(1)振动传感器实时感应圆柱型浮子的振动位移幅值并传输给单片机，单片机对感应数据进行实时、全面、多功能的智能处理；

(21)在正常海况下，如图1所示，振动位移幅值在预设的安全范围内，圆柱型浮子随波浪做上下垂荡运动，带动其内部的发电系统发电，发电系统发出的电可输出至蓄电池储存；

(22)在极端海况下，如图2所示，振动位移幅值超过预设的安全过渡范围，单片机通过控制器控制吸振块升降装置带动吸振块上升，上升高度由单片机根据振动位移幅值实时调整，单片机还接通电磁继电器并通过控制器控制工作平台升降装置下降，下降至可通过电磁继电器的磁力吸引铁块把圆柱型浮子吸到工作平台底部为止，此时圆柱型浮子和工作平台成为一个整体，由吸振块将这一整体的位移幅值调整在安全过渡范围内；

(221)在海面恢复正常海况时，振动位移幅值重新降到预设的安全范围时，单片机通过控制器控制吸振块升降装置带动吸振块下降至初始位置，单片机还断开电磁继电器并通过控制器控制工作平台升降装置上升至初始位置，断开电磁继电器后磁力消失，圆柱型浮子重新落回海面，继续随波浪垂荡发电。

两根圆柱刚体导向柱深埋于海底，顶端通过升降装置与工作平台焊接在一起，极端海况时，下降的工作平台和浮子一起组成下层结构。在正常情况下，圆柱形浮子的振动位移幅值是有一定的安全范围，其一般运动方程为X＝X_msin2πft，因此不同的波能发电装置需根据实际海况设定安全的位移幅值范围。例如当正常海况下振动位移参数设置为：0-0.3m；安全过渡的振动位移参数范围设置为：0.3-0.5m；当突破安全过渡范围时圆柱形浮子内部将受到破坏的威胁，因此是不允许发生的。正常海况时，工作平台的振动参数在正常范围内变化，波能发电装置正常发电；当极端海况发生时，工作平台的振动强度会达到或超过正常海况下的参数限度，振动传感器和单片机会对位移幅值进行实时分析，其分析结果一旦超出安全过渡的参数范围(振动位移超过0.5m)就会启动控制器，控制器控制升降装置的伸缩；当振动传感器监测到参数值降到正常海况范围(振动位移低于0.3m)时，升降装置恢复原始状态。吸振块升降装置底部镶嵌焊接在工作平台内部，吸振块固定在升降装置顶部，控制器固定放置在工作平台一侧；工作平台升降装置固定镶嵌在导向柱内部，升降装置都是伸缩式结构，且都由一个控制器同时控制伸缩。所有输电线都由特殊材料制成，避免海水腐蚀，蓄电池为所有输出装置实现电力供应。极端海况发生时，上升后的吸振块由于体积较小，在风荷载的作用下受力幅值较小，因此可以充当双自由度体系的上层结构，从而有效的吸收下层结构的振动能量，以此保护浮子和工作平台在极端海况下的稳定性。