一种波浪能发电装置节间距优化方法及装置

技术领域

本发明涉及波浪能发电技术领域，尤其是涉及一种波浪能发电装置节间距优化方法及装置。

背景技术

世界能源危机愈演愈烈，人们纷纷把目光投向海洋。海洋占全球表面面积的71％，蕴藏巨大能量，其中波浪能是海洋能量的主要存在形式之一，具有储量巨大、清洁、可再生等优点，被认为是解决能源问题的新方向。我国的波浪能资源可观，近海海域能流密度大，波浪能的蕴含量约达1.5亿kW，可开发利用量约为2300～3500万kW，具有十分广阔的发展前景。另一种评价能源的重要指标是能流密度。能流密度，是指在一定空间范围内，单位面积(如平方米)所能取得的或单位重量(如公斤)能源所能产生的某种能源的能量或功率。波浪能具有较高的能流密度。

目前，现有的波浪能发电装置优化方法为基于差分进化的波浪能转换装置整列优化，但是现有的波浪能发电装置优化方法无法获取最优的节间距数据，导致波浪能发电装置的波浪能捕获效率较低。

发明内容

本发明提供一种波浪能发电装置节间距优化方法及装置，以解决现有技术无法获取最优的节间距，导致波浪能发电装置的波浪能捕获效率较低的技术问题。

本发明的第一实施例提供了一种波浪能发电装置节间距优化方法，包括：

根据目标区域的海况以及当地地形，设置海洋环境参数，并根据所述海洋环境参数计算波能谱；其中，所述海洋环境参数包括：非规则波情况下的有效波高和周期或者规则波情况下的波高和周期；

根据所述波能谱和所述目标区域中的波浪能发电装置的几何参数，计算得到所述波浪能发电装置的水动力系数；

根据所述水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用所述最优控制量计算得到所述目标区域中所述波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值；

采用优化算法，根据所述波浪能发电装置的总发电功率的时间平均值对所述波浪能发电装置中浮子的尺寸参数和节间距参数进行优化，得到所述波浪能发电装置总发电功率最大时，所述波浪能发电装置中浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数。

进一步地，根据所述水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用所述最优控制量计算得到所述目标区域中所述波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值，具体为：

利用基函数逼近波浪能发电装置状态量和能量转换系统的控制量，将所述水动力系数代入连续运动方程，并将所述连续运动方程离散化，将所述能量转换系统的控制变量的求解问题转化为标准优化问题，同时结合所述波浪能发电装置的物理约束条件，求解满足所述物理约束条件的能量转换系统的控制量的全局最优值，并根据所述全局最优值计算波浪能发电场的总发电功率的时间平均值。

进一步地，根据所述波能谱和所述目标区域中的波浪能发电装置的几何参数，计算得到所述波浪能发电装置的水动力系数，具体为：利用水动力学分析软件AQWA根据海洋环境参数、波浪能发电装置几何参数计算得到水动力系数。

进一步地，所述谱方法所使用的基函数包括但不限于傅里叶基函数

进一步地，采用优化算法，根据所述波浪能发电装置的总发电功率的时间平均值对所述波浪能发电装置中浮子的尺寸参数和节间距参数进行优化，得到所述波浪能发电装置总发电功率最大时，所述波浪能发电装置中浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数，具体为：

根据优化算法求得在约束条件下函数的最小值，即为所述波浪能发电装置的最优总发电功率，同时可求得所述最优总发电功率对应的波浪能发电装置浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数。

本发明的第二实施例提供了一种波浪能发电装置节间距优化装置，包括：第一计算模块、设置模块、第二计算模块和优化模块；

所述第一计算模块，用于根据目标区域的海况以及当地地形，设置海洋环境参数，并根据所述海洋环境参数计算波能谱；其中，所述海洋环境参数包括：非规则波情况下的有效波高和周期或者规则波情况下的波高和周期；

所述设置模块，用于根据所述波能谱和所述目标区域中的波浪能发电装置的几何参数，计算得到所述波浪能发电装置的水动力系数；

所述第二计算模块，用于根据所述水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用所述最优控制量计算得到所述目标区域中所述波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值；

所述优化模块，用于采用优化算法，根据所述波浪能发电装置的总发电功率的时间平均值对所述波浪能发电装置中浮子的尺寸参数和节间距参数进行优化，得到所述波浪能发电装置总发电功率最大时，所述波浪能发电装置中浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数。

进一步地，所述第二计算模块，具体用于：

利用基函数逼近波浪能发电装置状态量和能量转换系统的控制量，将所述水动力系数代入连续运动方程，并将所述连续运动方程离散化，将所述能量转换系统的控制变量的求解问题转化为标准优化问题，同时结合所述波浪能发电装置的物理约束条件，求解满足所述物理约束条件的能量转换系统的控制量的全局最优值，并根据所述全局最优值计算波浪能发电场的总发电功率的时间平均值。

进一步地，所述设置模块，具体用于：利用水动力学分析软件AQWA根据海洋环境参数、波浪能发电装置几何参数计算得到水动力系数。

进一步地，所述谱方法所使用的基函数包括但不限于傅里叶基函数。

进一步地，采用优化算法，根据所述波浪能发电装置的总发电功率的时间平均值对所述波浪能发电装置中浮子的尺寸参数和节间距参数进行优化，得到所述波浪能发电装置总发电功率最大时，所述波浪能发电装置中浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数，具体为：

根据优化算法求得在约束条件下函数的最小值，即为所述波浪能发电装置的最优总发电功率，同时可求得所述最优总发电功率对应的波浪能发电装置浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数。

本发明提供一种波浪能发电装置节间距优化方法及装置，根据水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用最优控制量计算得到目标区域中波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值，并利用优化算法进行优化，获取波浪能输出总功率最大情况下浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数，从而有效提高波浪能发电装置的波浪能捕获效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种波浪能发电装置节间距优化方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种波浪能发电装置节间距优化方法的另一流程示意图；

图3是本发明实施例提供的波浪能发电装置中浮子的尺寸与节间距示意图；

图4是本发明实施例提供的一种波浪能发电装置节间距优化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

请参阅图1-3，在本发明的第一实施例中，提供了如图1所示的一种波浪能发电装置节间距优化方法，包括：

S1、根据目标区域的海况以及当地地形，设置海洋环境参数，并根据海洋环境参数计算波能谱；其中，海洋环境参数包括：非规则波情况下的有效波高和周期或者规则波情况下的波高和周期；

S2、根据波能谱和目标区域中的波浪能发电装置的几何参数，计算得到波浪能发电装置的水动力系数；

在本发明实施例中，波浪能发电装置中浮子的待优化参数作为外层优化的初始变量。外层的待优化参数包括浮子尺寸L和浮子之间的节间距D等相关参数。在一种具体的实施方式中，浮子的外形统一设定为长方形。请参阅图3，对于浮子的尺寸，二维空间条件下，仅考虑浮子的尺寸的长度变量而不考虑尺寸的宽度变量，即如图3所示的L1、L2；浮子的节间距参数为相邻两个浮子之间的距离d。

S3、根据水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用最优控制量计算得到目标区域中波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值；

S4、采用优化算法，根据波浪能发电装置的总发电功率的时间平均值对波浪能发电装置中浮子的尺寸参数和节间距参数进行优化，得到波浪能发电装置总发电功率最大时，波浪能发电装置中浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数。

本发明实施例根据水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用最优控制量计算得到目标区域中波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值，并利用优化算法进行优化，获取波浪能输出总功率最大情况下浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数，从而有效提高波浪能发电装置的波浪能捕获效率。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，根据目标区域的实际海况设置海洋动力环境参数，海洋动力环境参数可以为规则波的波高和波周期，也可以为非规则波的有效波高H

作为本发明实施例的一种具体实施方式，根据水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用最优控制量计算得到目标区域中波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值，具体为：

利用基函数逼近波浪能发电装置状态量和能量转换系统的控制量，将水动力系数代入连续运动方程，并将连续运动方程离散化，将能量转换系统的控制变量的求解问题转化为标准优化问题，同时结合波浪能发电装置的物理约束条件，求解满足物理约束条件的能量转换系统的控制量的全局最优值，并根据全局最优值计算波浪能发电场的总发电功率的时间平均值。

在本发明实施例中，将所得出的水动力系数代入连续运动方程，使用谱方法将其离散后可得运动方程

其中，

其中，

在计算过程中，所优化的目标函数中

在满足约束条件的情况下，利用优化算法求出

在本发明实施例中，计算目标函数

求得在约束条件下函数的最小值，得到波浪能发电装置的最优的总发电功率，得到最优的总发电功率对应波浪能发电装置中浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

本发明实施例根据水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用最优控制量计算得到目标区域中波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值，并利用优化算法进行优化，获取波浪能输出总功率最大情况下浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数，从而有效提高波浪能发电装置的波浪能捕获效率。

请参阅图4，在本发明第二实施例中，提供了一种波浪能发电装置节间距优化装置，包括：第一计算模块10、设置模块20、第二计算模块30和优化模块40；

第一计算模块10，用于根据目标区域的海况以及当地地形，设置海洋环境参数，并根据海洋环境参数计算波能谱；其中，海洋环境参数包括：非规则波情况下的有效波高和周期或者规则波情况下的波高和周期；

设置模块20，用于根据波能谱和目标区域中的波浪能发电装置的几何参数，计算得到波浪能发电装置的水动力系数；

在本发明实施例中，波浪能发电装置中浮子的待优化参数作为外层优化的初始变量。外层的待优化参数包括浮子尺寸L和浮子之间的节间距D等相关参数。在一种具体的实施方式中，浮子的外形统一设定为长方形。请参阅图3，对于浮子的尺寸，二维空间条件下，仅考虑浮子的尺寸的长度变量而不考虑尺寸的宽度变量，及如图3所示的L1、L2；对于浮子的节间距参数，为相邻两个浮子之间的距离d。

第二计算模块30，用于根据水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用最优控制量计算得到目标区域中波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值；

优化模块40，用于采用优化算法，根据波浪能发电装置的总发电功率的时间平均值对波浪能发电装置中浮子的尺寸参数和节间距参数进行优化，得到波浪能发电装置总发电功率最大时，波浪能发电装置中浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数。

本发明实施例根据水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用最优控制量计算得到目标区域中波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值，并利用优化算法进行优化，获取波浪能输出总功率最大情况下浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数，从而有效提高波浪能发电装置的波浪能捕获效率。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，第一计算模块10计算对应的波能谱的一种具体实施方式为：

根据目标区域的实际海况设置海洋动力环境参数，海洋动力环境参数可以为规则波的波高和波周期，也可以为非规则波的有效波高H

作为本发明实施例的一种具体实施方式，第二计算模块30，具体用于：

利用基函数逼近波浪能发电装置状态量和能量转换系统的控制量，将水动力系数代入连续运动方程，并将连续运动方程离散化，将能量转换系统的控制变量的求解问题转化为标准优化问题，同时结合波浪能发电装置的物理约束条件，求解满足物理约束条件的能量转换系统的控制量的全局最优值，并根据全局最优值计算波浪能发电场的总发电功率的时间平均值。

在本发明实施例中，将所得出的水动力系数代入连续运动方程，使用谱方法将其离散后可得运动方程

其中，

其中，

在计算过程中，所优化的目标函数中

在满足约束条件的情况下，求出

在本发明实施例中，计算目标函数

利用优化算法求得在约束条件下函数的最小值，可得波浪能发电装置的最优的总发电功率，最优的总发电功率对应波浪能发电装置中浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

本发明实施例根据水动力系数和谱方法求解波浪能发电装置的能量转换系统在计及约束条件下的最优控制量，采用最优控制量计算得到目标区域中波浪能发电装置在物理约束下的总发电功率的时间平均值，并利用优化算法进行优化，获取波浪能输出总功率最大情况下浮子的最优尺寸参数和最优节间距参数，从而有效提高波浪能发电装置的波浪能捕获效率。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。