振荡浮子式波浪能装置PTO力及其能量转换效率的标定方法

技术领域

本发明属于新能源利用技术领域，具体涉及振荡浮子式波浪能装置PTO力及其能量转换效率的标定方法。

背景技术

当今世界，资源形式严峻，传统的化石能源储量有限、且对自然环境污染较大，新型可再生能源的发展迫在眉睫。波浪能作为一种新型可再生能源，有着储量大，集中度高的优点，其全球年储量高达32000TW·h，远高于人类全年用电量21371TW·h。在近海海域，由于电力传输距离较短，波浪能装置可以实现并网发电。在中远海海域，波浪能装置可以为海洋结构物供电，与风能和太阳能相比，波浪能更为稳定，故其更适合为中远海海洋结构物持续供电。因此，波浪能的开发利用是缓解能源紧张的重要途径。

振荡浮子式波浪能装置是当前研究应用最为广泛的一种波浪能俘获装置，其结构可根据不同的工作原理分为三部分：浮子、能量吸收装置PTO及发电机。浮子作为获能体俘获波浪中的能量，PTO吸收浮子的机械能传输给发电机，发电机将PTO传输的能量转换成电能储存起来，或通过负载进行消耗。针对如何提升浮子能量俘获效果的问题，科研人员提出了众多控制方法，其中主要是通过调节PTO力，影响浮子的运动响应，进而实现浮子能量俘获的优化。若想将控制方法应用于实际装置中，实现PTO力的调节，是必不可少的。

发明内容

为实现最优的能量俘获效果，本发明目的在于提供一种振荡浮子式波浪能装置PTO力及其能量转换效率的标定方法，在PTO力标定的同时对PTO及发电机的能量转化效率进行测试，进而整体考虑浮子、PTO及发电机的能量转换效果。

本申请的技术方案为：振荡浮子式波浪能装置PTO力及其能量转换效率的标定方法，包括：

在浮子上面布置连接柱，所述连接柱与PTO之间安装拉压传感器，用于测得PTO力；

在所述连接柱或浮子上面安装激光位移传感器，用于测得浮子的俘获功率；

在所述PTO与发电机之间安装扭矩转速传感器，用于测得PTO的传输功率；

在所述发电机的负载电路中接入电子负载，以调节PTO力及消耗发电机产生的电能；

将功率分析仪接入负载电路中，以完成发电机电功率的测量。

进一步的，在标定测试时选定所述电子负载的电阻值，然后激励浮子进行不同周期及幅值的运动，记录PTO力、PTO和发电机的能量转换效率，然后再多次改变电子负载的电阻值，记录每次的PTO力、PTO和发电机的能量转换效率，获得在不同的工况下电子负载的电阻值与PTO力、PTO及发电机的能量转换效率的映射关系。

进一步的，所述映射关系通过对相邻工况测试结果的插值得到。

进一步的，所述电子负载的电阻值在选取时，从无穷大逐渐减小，当PTO力超过拉压传感器量程的80％时停止。

进一步的，所述拉压传感器、激光位移传感器及扭矩转速传感器输出的模拟电压信号均由NI控制器的电压采集卡同步采集。

更进一步的，所述功率分析仪通过调节内置时钟时间与NI控制器的电压采集卡同步。

更进一步的，所述电子负载通过NI控制器或手动精确调节自身的电阻值。

更进一步的，所述浮子的响应速度为：

式中，v(i)为第i时刻速度；x(i-1)和x(i+1)分别表示第(i-1)时刻与(i+1)时刻位移，由激光位移传感器测得；Δt为时间步长；

浮子的俘获功率为：

P

式中，F(i)为第i时刻的PTO力，由拉压传感器测得；

PTO的传输功率为：

P

式中，T(i)为第i时刻实验室用PTO与实验室用发电机间的扭矩；R(i)为第i时刻实验室用发电机的转速；

发电机的电功率为：

P

式中，U(i)为第i时刻实验室用发电机的负载电路电压值，I(i)为第i时刻实验室用发电机的负载电路电流值，均由功率分析仪测得。

更进一步的，所述PTO的能量转换效率为：

发电机的能量转换效率为：

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本申请基于振荡浮子式波浪能装置PTO及发电机的工作原理，通过调节发电机负载阻值，进而影响PTO力的大小，通过标定实验可找到发电机负载阻值与PTO力的映射关系，为将控制方法应用于实际装置提供了依据；在不同的发电机负载阻值情况下，测试PTO和发电机的能量转换效率，为装置的整体优化提供依据。

附图说明

图1为振荡浮子式波浪能装置PTO力及其能量转换效率的标定测试整体布置图；

图中序号说明：1为浮子；2为拉压传感器；3为激光位移传感器；4为PTO；5为扭矩转速传感器；6为发电机；7为功率分析仪；8为电子负载；9为NI控制器。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

本实施例提供振荡浮子式波浪能装置PTO力及其能量转换效率的标定方法，是在如图1所示系统中实施的，需要说明的是，本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。其系统包括浮子1、拉压传感器2、激光位移传感器3、PTO4、扭矩转速传感器5、发电机6、功率分析仪7、电子负载8及NI控制器9等。

振荡浮子式波浪能装置的PTO可分为机械式、液压式等，对于机械式PTO，其PTO力无法精确调节，为了对PTO力进行控制，通过改变发电机负载，以改变发电机电磁转矩，进而实现对PTO力的控制调节。针对不同的机械式PTO，都应进行PTO力标定实验，确定发电机负载与PTO力的映射关系，以达到PTO力控制调节的目的。由于浮子的控制方法仅考虑浮子的能量俘获优化，未考虑PTO及发电机的能量转换效率，而PTO力的变化会对PTO及发电机的能量转换效率产生影响，为了让整个装置实现最优的能量俘获效果，在PTO力标定的同时对PTO及发电机的能量转化效率进行测试，进而整体考虑浮子、PTO及发电机的能量转换效果。其振荡浮子式波浪能装置PTO力及其能量转换效率的标定方法，包括如下步骤：

在浮子与PTO之间布置拉压传感器及激光位移传感器，以测得浮子的俘获功率及PTO力；在PTO与发电机之间布置扭矩位移传感器，以测得PTO的传输功率；在发电机负载电路中接入电子负载，以调节PTO力及消耗发电机产生的电能；将功率分析仪接入负载电路，以完成发电机电功率的测量。所述拉压传感器、激光位移传感器及扭矩转速传感器输出的模拟电压信号均由NI控制器的电压采集卡同步采集。所述功率分析仪通过调节内置时钟时间与NI控制器的电压采集卡同步。

在标定测试时选定所述电子负载的电阻值，然后激励浮子进行不同周期及幅值的运动，记录PTO力、PTO和发电机的能量转换效率，然后再多次改变电子负载的电阻值，记录每次的PTO力、PTO和发电机的能量转换效率，获得在不同的工况下电子负载的电阻值与PTO力、PTO及发电机的能量转换效率的映射关系，为将控制方法应用于实际装置提供了依据。电子负载的电阻值在选取时，从无穷大逐渐减小，当PTO力超过拉压传感器量程的80％时停止。所述电子负载通过NI控制器或手动精确调节自身的电阻值，便于变阻值测量。

实际操作中，首先要检查确认各量测设备是否正常工作，调节电子负载8的电阻值为无穷大，然后使用造波机造波激励浮子运动，待浮子运动稳定后，再对各量测设备信号进行监测记录，同步记录存储拉压传感器2、激光位移传感器3、扭矩转速传感器5及功率分析仪7的测量数据，待采集数据充足后，先关闭数据采集系统，停止数据采集，缓慢调节电子负载8到下一阻值，待各传感器、功率分析仪数据稳定后，再进行采集，依次调节电子负载8的阻值进行测量，待PTO力超出拉压传感器量程80％后停止测量，先关闭数据采集系统，然后关闭造波机停止造波，待波面稳定后，改变波浪工况重复进行上述测试。

最后，可以得到在不同工况下，发电机电路负载与PTO力、PTO及发电机的能量转换效率之间的映射关系，在测试工况范围内，发电机电路负载与PTO力、PTO及发电机的能量转换效率之间的映射关系可以通过对相邻工况测试结果的插值得到。

本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被互相组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且者应被发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。