跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法及系统

1.本发明涉及波浪能发电领域，具体地，涉及跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法及系统。


背景技术：

2.通过小尺寸的波浪能发电装置捕获大周期波浪的能量，需要依靠系泊、与海岸或海床固定实现，以此保证一个物体静止，另一个物体能在低频波浪作用下有较大相对运动，实现波浪能发电。而漂浮式波浪能发电装置(不系泊、不与大地固定)想要捕获大周期波浪的能量，需要以庞大的尺寸获得较大的共振周期，装置的尺寸需要与波长匹配，通常达到几十米。因此现有的波浪能发电装置想要在大周期波况下工作，无法同时满足小尺寸和漂浮式两个条件。
3.专利文献cn115535148a(申请号：202211367929.9)公开了一种水翼调控和供能的海洋机器人及其工作方法，属于海洋探测装备领域，包括耐压外壳、传感器、通讯天线、浮力油囊、液压浮力及液压缸调节装置、控制模块、电池组、蓄能器、储油油囊和四个水力翼板。该发明为集成水力翼板的argo浮标，在上浮或下潜过程中，通过调节水力翼板的开合角度，改变海洋机器人的运动方向，能够在海洋垂直剖面内进行跳跃运动，实现主动水平移位，扩大信息采集的区域。同时，在海洋机器人下潜至海底前，利用水力翼板减缓下潜速度，并在触底后水力翼板辅助支撑海洋机器人，防止倾覆。此外，在浮标上浮至海面时，利用水力翼板吸收海面的波浪能，将波浪能转化为蓄能器内液压油的压力能，用于翼板驱动。
4.专利文献cn115714505a(申请号：202211414148.0)公开了一种海洋监测节点能量收集装置及其工作方法，装置包括太阳能收集单元、波浪能收集单元、能量存储单元、传感器单元、收发器单元以及固定单元。波浪能收集单元由仿伞状机构、棘轮机构、小型离合机构、棘轮棘爪往复机构和悬挂发电机构组成。其中的仿伞状机构会随着海浪的起伏而运动。能量存储单元与波浪能收集单元、太阳能收集单元、传感器单元和收发器单元连接，实现能量的存储的同时也能为传感器单元、收发器单元供电。传感器单元能实现面向海洋的温度、盐度等参数的监测，收发器单元实现各能量收集节点之间的无线通信。固定单元与悬挂式发电机底部连接，固定整体机器位置。本发明实现了对波浪能和太阳能的高效收集、转化和存储。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法及系统。
6.根据本发明提供的一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，包括：
7.步骤s1：根据波况初步确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数；
8.步骤s2：基于初步确定的伞翼型漂浮式波浪发电装置的参数构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型；
9.步骤s3：基于构建的伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的包含约束关系的广义水动力模型；
10.步骤s4：基于包含约束关系的广义水动力模型获取伞翼型漂浮式波浪能发电装置振动系统的模态；
11.步骤s5：根据低阶模态的固有频率确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数。
12.优选地，所述伞翼型漂浮式波浪能发电装置包括：水翼以及中心浮子；
13.所述水翼包括水翼一1、水翼二2、水翼三3以及水翼四4；
14.所述中心浮子包括浮体5和质心调节机构6；
15.所述水翼一1、水翼二2、水翼三3以及水翼四4周向分布在所述浮体5上，并与所述浮体5铰接连接；所述质心调节机构6与所述浮体5连接。
16.优选地，所述质心调节机构6包括：承压外壳61、伺服电机62、t型丝杆63、丝杆螺母64、配重块65、导轨66、上固定板67、电机固定板68、直线轴承69和下固定板610；
17.所述t型丝杆63通过所述丝杆螺母64与所述配重块65连接；所述t型丝杆63一端与所述伺服电机62连接；所述伺服电机62固定在所述电机固定板68上；所述导轨66通过所述直线轴承69与所述配重块65连接；所述导轨66两端分别与所述上固定板67和所述下固定板610固连；所述承压外壳61与所述上固定板67和所述下固定板610固连；所述t型丝杆63在所述伺服电机62的驱动下旋转，带动所述配重块65沿着所述导轨66上下移动。
18.优选地，所述步骤s1采用：
19.步骤s1.1：确定波浪能发电装置工作海域的波浪周期t
wave
∈(2s，8s)，中心浮子在横摇、纵摇方向上的共振周期需满足条件：
[0020][0021]
其中，k是中心浮子在横摇、纵摇方向上的静水恢复刚度，j是中心浮子在横摇、纵摇方向上绕质心的转动惯量；
[0022]
单个水翼的质量与体积满足关系：
[0023][0024]
其中，m
wing
表示水翼的质量，v
wing
表示水翼的体积，ρ
sea
表示海水密度；水翼长度为0.7～1倍中心浮子的高度，水翼宽度为0.8～1倍中心浮子的直径。
[0025]
优选地，所述步骤s2采用：
[0026]
以水翼一、水翼二、水翼三、水翼四、中心浮子的质心为原点构建坐标系以水翼一、水翼二、水翼三、水翼四、中心浮子的质心为原点构建坐标系所构建坐标系的z轴与静水面垂直，x轴与静水面平行且方向为水翼二指向水翼四，y轴与静水面平行且方向为水翼一指向水翼三；
[0027]
构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的25自由度水动力模型：
[0028]
{-ω2(m+a
add
(ω))+jω(c
pto
+b
rad
(ω))+(k
pto
+k
hydro
)}x(ω)＝f
exc
(ω)
[0029]
其中：
[0030][0031]
其中，ω表示波浪频率；x0、y0、z0、θ0、为中心浮子的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇
运动，xi、yi、zi、θi、为水翼i的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇运动，m为惯量矩阵，a
add
(ω)为附加惯量矩阵，b
rad
(ω)为辐射阻尼矩阵，k
hydro
为静水恢复刚度矩阵，c
pto
为水翼与中心浮子在铰接处的阻尼矩阵，k
pto
为水翼与中心浮子在铰接处的刚度矩阵，f
exc
(ω)为波浪激励力；
[0032]
所述波浪激励力f
exc
(ω)为：
[0033]fexc
(ω)＝awγ(ω)
[0034]
其中，aw为波幅，γ(ω)为单位波高对应的波浪激励力幅值。
[0035]
优选地，所述步骤s3采用：
[0036]
基于铰接处的约束关系构建装置的广义水动力模型，所述水翼一1、所述水翼二2、所述水翼三3、所述水翼四4与中心浮子在铰接处的约束关系：
[0037][0038][0039]
其中，li(i＝1～4)为水翼i的质心到铰接点的距离；l
0z
＝l0cosβ，l
0y
＝l0sinβ，其中，l0为中心浮子的质心到铰接点的距离；β为中心浮子质心到铰接点连线与中心浮子轴线的夹角；
[0040]
此时选取广义位移为：
[0041][0042]
则存在转换关系：
[0043]
x(ω)＝jxq(ω)
[0044]
式中，j为雅可比矩阵；
[0045]
获得包含约束关系的广义水动力模型：
[0046]jt
{-ω2(m+a
add
(ω))+jω(c
pto
+b
rad
(ω))+(k
pto
+k
hydro
)}jxq(ω)＝j
tfexc
(ω)
[0047]
进一步求得装置的广义惯量矩阵mq＝j
t
[m+a
add
(ω)]j，以及广义刚度矩阵kq＝j
t
[k
pto
+k
hydro
]j。
[0048]
优选地，所述步骤s4采用：
[0049]
v＝k
q-1
(3：9，3：9)mq(3：9，3：9)
[0050]
获取矩阵v的特征值λ和特征向量α；模态的固有振动频率为相应模态的振型通过特征向量α获得；
[0051]
伞翼型漂浮式波浪能发电装置存在7阶模态；包括：
[0052]
一阶模态振型：当中心浮子绕y轴负方向转动时，所述水翼一1和水翼三3绕y轴正方向转动，同时水翼二2和水翼四4绕y轴正方向转动；
[0053]
二阶模态振型：当中心浮子绕x轴负方向转动时，水翼二2和水翼四4绕x轴正方向转动，同时水翼一1和水翼三3绕x轴正方向转动；
[0054]
三阶模态振型：当中心浮子沿z轴正方向移动时，水翼一1绕x轴正方向转动，水翼二2绕y轴负方向转动，水翼三3绕x轴负方向转动，水翼四4绕y轴正方向转动；
[0055]
四阶模态振型：当中心浮子保持静止时，水翼一1和水翼三3绕x轴正方向转动，同时水翼二2和水翼四4绕y轴正方向转动；
[0056]
五阶、六阶、七阶模态振型与四阶模态振型类似；
[0057]
同时各阶模态的固有振动频率满足关系：
[0058]
ω1＝ω2＜ω3＜ω4＝ω5＝ω6＝ω7[0059]
其中，ωj(j＝1～7)为j阶模态的固有振动频率。
[0060]
优选地，所述步骤s5采用：
[0061]
调整水翼一1、水翼二2、水翼三3、水翼四4与中心浮子的静水恢复刚度参数及质量参数，使得一阶和二阶模态的固有振动频率满足关系：
[0062][0063]
其中，t
wave
为波浪能发电装置工作海域的波浪周期，此时水翼与中心浮子间的相对运动在波浪周期约为t
wave
时最为剧烈，同时伞翼型漂浮式波浪能发电装置对波浪能的捕获功率在波浪周期约为t
wave
时达到最大。
[0064]
优选地，还包括：获取中心浮子质心位置对振动系统低阶模态固有频率的影响规律；
[0065]
中心浮子在横摇或纵摇方向上的静水恢复刚度表示为：
[0066]
k＝(z
cob-z
cog
)m
bodyg[0067]
其中，z
cog
为中心浮子的质心在坐标系下的z向坐标，z
cob
为中心浮子的浮心在坐标系下的z向坐标，且z
cob
＞z
cog
，m
body
为中心浮子的质量，g为重力加速度；
[0068]
调整参数z
cog
，重复触发步骤s3至步骤s5，获取对应的系统一阶、二阶模态的固有振动频率，得到中心浮子质心位置对振动系统低阶模态固有频率的影响规律。
[0069]
根据本发明提供的一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现系统，包括：
[0070]
模块m1：根据波况初步确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数；
[0071]
模块m2：基于初步确定的伞翼型漂浮式波浪发电装置的参数构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型；
[0072]
模块m3：基于构建的伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的包含约束关系的广义水动力模型；
[0073]
模块m4：基于包含约束关系的广义水动力模型获取伞翼型漂浮式波浪能发电装置振动系统的模态；
[0074]
模块m5：根据低阶模态的固有频率确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数。
[0075]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0076]
1、本发明提出的波浪能发电装置，能够以非系泊的方式、较小的尺寸(几米)捕获大周期(2s～8s)的波浪，并且通过改变质心位置可大幅调整装置的共振周期，适用的波浪周期范围宽；
[0077]
2、本发明提供的一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置设计方法，能够使伞翼型漂浮式波浪能发电装置凭借数米的尺寸，以非系泊的方式在周期为2s～8s的波况下实现
波浪能发电，且波浪入射方向对装置波浪能发电性能的影响较小；
[0078]
3、本发明提供的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置设计方法，通过质心调节机构，能够调节中心浮子质心位置，进而改变系统的低阶模态固有频率，使波浪能发电装置适应的波浪周期范围更宽。
附图说明
[0079]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0080]
图1为伞翼型漂浮式波浪能发电装置结构的示意图。
[0081]
图2为质心调节机构的示意图。
[0082]
图3为系统坐标系构建的示意图。
[0083]
图4为装置在铰接处约束关系的示意图。
[0084]
图5为装置一阶模态振型的示意图。
[0085]
图6为装置三阶模态振型的示意图。
[0086]
图7为装置四阶模态振型的示意图。
[0087]
图8为在波浪激励下运动响应的示意图。
[0088]
图9为波浪能到机械能平均转换功率随波浪周期、波浪入射方向变化的示意图。
[0089]
图10为中心浮子质心位置对低阶模态固有频率影响规律的示意图。
[0090]
图中所示：1-水翼一；2-水翼二；3-水翼三；4-水翼四；5-浮体；6-质心调节机构；61-承压外壳；62-伺服电机；63-t型丝杆；64-丝杆螺母；65-配重块；66-导轨；67-上固定板；68-电机固定板；69-直线轴承；610-下固定板。
具体实施方式
[0091]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0092]
实施例1
[0093]
本发明基于伞翼型漂浮式波浪能发电装置，提供了一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，具体步骤包括：
[0094]
步骤一、设计伞翼型漂浮式波浪能发电装置结构；
[0095]
步骤二、根据波况初步确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的设计参数；
[0096]
步骤三、构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型；
[0097]
步骤四、构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的包含约束关系的广义水动力模型；
[0098]
步骤五、获取伞翼型漂浮式波浪能发电装置振动系统的模态；
[0099]
步骤六、确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的设计参数；
[0100]
步骤七、获取中心浮子质心位置对振动系统低阶模态固有频率的影响规律；
[0101]
具体地，所述步骤一采用：
[0102]
伞翼型漂浮式波浪能发电装置由水翼和中心浮子组成，如图1所示。水翼包括水翼
一1、水翼二2、水翼三3和水翼四4，四片水翼周向分布在中心浮子的上方，并与中心浮子铰接连接，水翼可绕铰接点往复摆动；中心浮子包括浮体5和质心调节机构6，质心调节机构6内嵌在中心浮子的中下方，用于改变中心浮子的质心位置。
[0103]
质心调节机构6包括承压外壳61、伺服电机62、t型丝杆63、丝杆螺母64、配重块65、导轨66、上固定板67、电机固定板68、直线轴承69和下固定板610，如图2所示。t型丝杆63通过丝杆螺母64与配重块65连接，t型丝杆63一端与伺服电机62连接，伺服电机62固定在电机固定板68上，导轨66通过直线轴承69与配重块65连接，导轨66两端分别与上固定板67和下固定板610固连，承压外壳61与上固定板67和下固定板610固连；t型丝杆63在伺服电机62的驱动下旋转，带动配重块65沿着导轨66上下移动。
[0104]
具体地，所述步骤二采用：确定波浪能发电装置工作海域的波浪周期t
wave
，t
wave
通常取4～6s，中心浮子在横摇、纵摇方向上的共振周期需满足条件：
[0105][0106]
式中，k是中心浮子在横摇、纵摇方向上的静水恢复刚度，j是中心浮子在横摇、纵摇方向上绕质心的转动惯量；单个水翼的质量与体积满足关系：
[0107][0108]
式中，m
wing
为水翼的质量，v
wing
为水翼的体积，ρ
sea
为海水密度；水翼长度为0.7～1倍中心浮子的高度，水翼宽度为0.8～1倍中心浮子的直径；
[0109]
具体地，所述步骤三采用：
[0110]
以水翼一、水翼二、水翼三、水翼四、中心浮子的质心为原点构建坐标系以水翼一、水翼二、水翼三、水翼四、中心浮子的质心为原点构建坐标系如图3所示。所构建坐标系的z轴与静水面垂直，x轴与静水面平行且方向为水翼二指向水翼四，y轴与静水面平行且方向为水翼一指向水翼三。构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的25自由度水动力模型为：
[0111]
{-ω2(m+a
add
(ω))+jω(c
pto
+b
rad
(ω))+(k
pto
+k
hydro
)}x(ω)＝f
exc
(ω)
[0112]
其中：
[0113][0114]
式中，x0、y0、z0、θ0、为中心浮子的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇运动，xi、yi、zi、θi、为水翼i的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇运动，m为惯量矩阵，a
add
(ω)为附加惯量矩阵，b
rad
(ω)为辐射阻尼矩阵，k
hydro
为静水恢复刚度矩阵，c
pto
为水翼与中心浮子在铰接处的阻尼矩阵，k
pto
为水翼与中心浮子在铰接处的刚度矩阵，f
exc
(ω)为波浪激励力；具体的，波浪激励力可写为：
[0115]fexc
(ω)＝awγ(ω)
[0116]
式中aw为波幅，γ(ω)为单位波高对应的波浪激励力幅值。上述a
add
(ω)、b
rad
(ω)、k
hydro
、γ(ω)参数可通过水动力仿真软件获得。
[0117]
具体地，所述步骤四采用：
[0118]
基于铰接处的约束关系构建装置的广义水动力模型，水翼一1、水翼二2、水翼三3、水翼四4与中心浮子在铰接处的约束关系如图4所示。具体数学表达式为：
[0119][0120][0121]
式中，li(i＝1～4)为水翼i的质心到铰接点的距离，l
0z
＝l0cosβ，l
0y
＝l0sinβ，其中l0为中心浮子的质心到铰接点的距离，β为中心浮子质心到铰接点连线与中心浮子轴线的夹角。此时选取广义位移为：
[0122][0123]
则存在转换关系：
[0124]
x(ω)＝jxq(ω)
[0125]
式中j为雅可比矩阵。获得包含约束关系的广义水动力模型：
[0126]jt
{-ω2(m+a
add
(ω))+jω(c
pto
+b
rad
(ω))+(k
pto
+k
hydro
)}jxq(ω)＝j
tfexc
(ω)
[0127]
进一步求得装置的广义惯量矩阵mq＝j
t
[m+a
add
(ω)]j，以及广义刚度矩阵kq＝j
t
[k
pto
+k
hydro
]j。
[0128]
具体地，所述步骤五采用：基于包含约束关系的广义水动力模型，获取伞翼型漂浮式波浪能发电装置振动系统的模态。首先得到矩阵：
[0129]
v＝k
q-1
(3：9，3：9)mq(3：9，3：9)
[0130]
获取矩阵v的特征值λ和特征向量α。模态的固有振动频率为相应模态的振型通过特征向量α获得。
[0131]
伞翼型漂浮式波浪能发电装置存在7阶模态。具体的，一阶模态振型如图5所示，当中心浮子绕y轴负方向转动时，水翼一1和水翼三3绕y轴正方向转动，同时水翼二2和水翼四4绕y轴正方向转动。二阶模态振型与一阶类似，当中心浮子绕x轴负方向转动时，水翼二2和水翼四4绕x轴正方向转动，同时水翼一1和水翼三3绕x轴正方向转动。三阶模态振型如图6所示，当中心浮子沿z轴正方向移动时，水翼一1绕x轴正方向转动，水翼二2绕y轴负方向转动，水翼三3绕x轴负方向转动，水翼四4绕y轴正方向转动。四阶模态振型如图7所示，当中心浮子保持静止时，水翼一1和水翼三3绕x轴正方向转动，同时水翼二2和水翼四4绕y轴正方向转动。五阶、六阶、七阶模态振型与四阶模态振型类似。同时各阶模态的固有振动频率满足关系：
[0132]
ω1＝ω2＜ω3＜ω4＝ω5＝ω6＝ω7[0133]
式中ωj(j＝1～7)为j阶模态的固有振动频率；
[0134]
具体地，所述步骤六采用：根据低阶模态的固有频率确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的设计参数；调整水翼一、水翼二、水翼三、水翼四与中心浮子的静水恢复刚度参数及质量参数，使得一阶和二阶模态的固有振动频率满足关系：
[0135]
[0136]
其中，t
wave
为波浪能发电装置工作海域的波浪周期，此时水翼与中心浮子间的相对运动在波浪周期约为t
wave
时最为剧烈，同时伞翼型漂浮式波浪能发电装置对波浪能的捕获功率在波浪周期约为t
wave
时达到最大。
[0137]
具体的，装置在周期为t
wave
的波浪激励下的运动响应如图8所示，波浪入射方向由水翼一1指向水翼三3，此时：
[0138]
装置位于位置
①
处，中心浮子为垂直状态，水翼一1轻微逆时针偏转，水翼三3轻微顺时针偏转；
[0139]
装置位于位置
②
处，中心浮子大幅顺时针偏转，水翼一1大幅逆时针偏转，水翼三3大幅逆时针偏转；
[0140]
装置位于位置
③
处，中心浮子为垂直状态，水翼一1轻微顺时针偏转，水翼三3轻微逆时针偏转；
[0141]
装置位于位置
④
处，中心浮子大幅逆时针偏转，水翼一1大幅顺时针偏转，水翼三3大幅顺时针偏转。
[0142]
所述步骤七采用：获取中心浮子质心位置对振动系统低阶模态固有频率的影响规律。中心浮子在横摇或纵摇方向上的静水恢复刚度可表示为：
[0143]
k＝(z
cob-z
cog
)m
bodyg[0144]
式中，z
cog
为中心浮子的质心在坐标系下的z向坐标，z
cob
为中心浮子的浮心在坐标系下的z向坐标，且z
cob
＞z
cog
，m
body
为中心浮子的质量，g为重力加速度。通过调整质心调节机构6中配重块65的位置，可以改变参数z
cog
，重复步触发骤四、步骤五和步骤六，可获取不同z
cog
对应的系统一阶、二阶模态的固有振动频率，得到中心浮子质心位置对振动系统低阶模态固有频率的影响规律。
[0145]
实施例2
[0146]
实施例2是实施例1的优选例
[0147]
根据本发明提供的一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，包括：
[0148]
步骤一、设计伞翼型漂浮式波浪能发电装置结构如图1所示；
[0149]
步骤二、根据波况初步确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的设计参数；设定波浪能发电装置工作海域的波浪周期t
wave
为5.2s，中心浮子的相关设计参数如表1所示。
[0150]
表1
[0151]
[0152][0153]
中心浮子在横摇或纵摇方向上的共振周期满足条件：
[0154][0155]
水翼体积v
wing
为0.07m3，水翼的质量与体积满足条件：
[0156][0157]
水翼长度2m，中心浮子的高度3m，水翼宽度0.35m，中心浮子的直径0.38m。
[0158]
步骤三、构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型；构建坐标系如图3所示，构建25自由度水动力模型为：
[0159]
{-ω2(m+a
add
(ω))+jω(c
pto
+b
rad
(ω))+(k
pto
+k
hydro
)}x(ω)＝f
exc
(ω)
[0160]
其中a
add
(ω)、b
rad
(ω)、k
hydro
、γ(ω)参数通过水动力仿真软件aqwa获得，其中惯量矩阵具体表示为：
[0161][0162]
静水恢复刚度矩阵具体表示为：
[0163][0164]
水翼与中心浮子在铰接处的阻尼矩阵和刚度矩阵为c
pto
＝0，k
pto
＝0。
[0165]
步骤四、构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的包含约束关系的广义水动力模型，铰接处的约束关系如图4所示。
[0166]
步骤五、获取伞翼型漂浮式波浪能发电装置振动的模态；得到矩阵v的特征值为：
[0167]
α1＝α2＝1.362，α3＝18.843，α4＝α5＝α6＝α7＝57.854
[0168]
根据特征向量得到系统的一阶模态振型如图5所示，对应固有频率ω1＝1.167；二阶模态振型与一阶模态相似，对应固有频率ω2＝1.167；三阶模态振型如图6所示，对应固
有频率为ω3＝4.341；四阶模态振型如图7所示，且五阶、六阶、七阶模态振型与四阶模态相似，对应固有频率ω4＝ω5＝ω6＝ω7＝7.610。
[0169]
步骤六、确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的设计参数；一阶、二阶模态的固有振动频率满足关系：
[0170][0171]
故水翼与中心浮子的静水恢复刚度及质量参数符合要求，不需调整。设定水翼与中心浮子在铰接点处的阻尼为c
pto
＝60n.m.s/rad，则装置将波浪能转换为机械能的平均功率可表示为：
[0172][0173]
基于广义水动力模型，求解得到装置对波浪能的平均转换功率随波浪周期变化如图9所示，图中可知，装置在t
wave
＝5.2s时平均转换功率达到最大，对应此时波浪能发电性能最优，同时装置的平均转换功率受波浪入射方向变化的影响极小。
[0174]
步骤七、获取中心浮子质心位置对振动系统低阶模态固有频率的影响规律；通过调整配重块位置，中心浮子的质心位置变化范围z
cog
∈[-1.7，-1.4]，中心浮子的浮心位置z
cob
＝-1.325，由此可知中心浮子在横摇或纵摇方向上的静水恢复刚度变化范围为k∈[223，1114]，求解可得中心浮子质心位置对低阶模态固有频率的影响规律如图10所示，由图中可知，波浪能发电装置在波浪周期为4.5～6.3s时均能达到最优发电性能。
[0175]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0176]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0177]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，包括：步骤s1：根据波况初步确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数；步骤s2：基于初步确定的伞翼型漂浮式波浪发电装置的参数构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型；步骤s3：基于构建的伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的包含约束关系的广义水动力模型；步骤s4：基于包含约束关系的广义水动力模型获取伞翼型漂浮式波浪能发电装置振动系统的模态；步骤s5：根据低阶模态的固有频率确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数。2.根据权利要求1所述的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，所述伞翼型漂浮式波浪能发电装置包括：水翼以及中心浮子；所述水翼包括水翼一(1)、水翼二(2)、水翼三(3)以及水翼四(4)；所述中心浮子包括浮体(5)和质心调节机构(6)；所述水翼一(1)、水翼二(2)、水翼三(3)以及水翼四(4)周向分布在所述浮体(5)上，并与所述浮体(5)铰接连接；所述质心调节机构(6)与所述浮体(5)连接。3.根据权利要求2所述的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，所述质心调节机构(6)包括：承压外壳(61)、伺服电机(62)、t型丝杆(63)、丝杆螺母(64)、配重块(65)、导轨(66)、上固定板(67)、电机固定板(68)、直线轴承(69)和下固定板(610)；所述t型丝杆(63)通过所述丝杆螺母(64)与所述配重块(65)连接；所述t型丝杆(63)一端与所述伺服电机(62)连接；所述伺服电机(62)固定在所述电机固定板(68)上；所述导轨(66)通过所述直线轴承(69)与所述配重块(65)连接；所述导轨(66)两端分别与所述上固定板(67)和所述下固定板(610)固连；所述承压外壳(61)与所述上固定板(67)和所述下固定板(610)固连；所述t型丝杆(63)在所述伺服电机(62)的驱动下旋转，带动所述配重块(65)沿着所述导轨(66)上下移动。4.根据权利要求2所述的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，所述步骤s1采用：确定波浪能发电装置工作海域的波浪周期t
wave
∈(2s,8s)，中心浮子在横摇、纵摇方向上的共振周期需满足条件：其中，k是中心浮子在横摇、纵摇方向上的静水恢复刚度，j是中心浮子在横摇、纵摇方向上绕质心的转动惯量；单个水翼的质量与体积满足关系：其中，m
wing
表示水翼的质量，v
wing
表示水翼的体积，ρ
sea
表示海水密度；水翼长度为0.7～1倍中心浮子的高度，水翼宽度为0.8～1倍中心浮子的直径。5.根据权利要求3所述的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，
所述步骤s2采用：以水翼一、水翼二、水翼三、水翼四、中心浮子的质心为原点构建坐标系以水翼一、水翼二、水翼三、水翼四、中心浮子的质心为原点构建坐标系所构建坐标系的z轴与静水面垂直，x轴与静水面平行且方向为水翼二指向水翼四，y轴与静水面平行且方向为水翼一指向水翼三；构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的25自由度水动力模型：{-ω2(m+a
add
(ω))+jω(c
pto
+b
rad
(ω))+(k
pto
+k
hydro
)}x(ω)＝f
exc
(ω)其中：其中，ω表示波浪频率；x0、y0、z0、θ0、为中心浮子的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇运动，x
i
、y
i
、z
i
、θ
i
、为水翼i的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇运动，m为惯量矩阵，a
add
(ω)为附加惯量矩阵，b
rad
(ω)为辐射阻尼矩阵,k
hydro
为静水恢复刚度矩阵，c
pto
为水翼与中心浮子在铰接处的阻尼矩阵，k
pto
为水翼与中心浮子在铰接处的刚度矩阵，f
exc
(ω)为波浪激励力；所述波浪激励力f
exc
(ω)为：f
exc
(ω)＝a
w
γ(ω)其中，a
w
为波幅，γ(ω)为单位波高对应的波浪激励力幅值。6.根据权利要求3所述的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，所述步骤s3采用：基于铰接处的约束关系构建装置的广义水动力模型，所述水翼一(1)、所述水翼二(2)、所述水翼三(3)、所述水翼四(4)与中心浮子在铰接处的约束关系：所述水翼三(3)、所述水翼四(4)与中心浮子在铰接处的约束关系：其中，l
i
(i＝1～4)为水翼i的质心到铰接点的距离；l
0z
＝l0cosβ，l
0y
＝l0sinβ，其中，l0为中心浮子的质心到铰接点的距离；β为中心浮子质心到铰接点连线与中心浮子轴线的夹角；此时选取广义位移为：则存在转换关系：x(ω)＝jx
q
(ω)式中，j为雅可比矩阵；获得包含约束关系的广义水动力模型：
j
t
{-ω2(m+a
add
(ω))+jω(c
pto
+b
rad
(ω))+(k
pto
+k
hydro
)}jx
q
(ω)＝j
t
f
exc
(ω)进一步求得装置的广义惯量矩阵m
q
＝j
t
[m+a
add
(ω)]j，以及广义刚度矩阵k
q
＝j
t
[k
pto
+k
hydro
]j。7.根据权利要求6所述的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，所述步骤s4采用：v＝k
q-1
(3:9,3:9)m
q
(3:9,3:9)获取矩阵v的特征值λ和特征向量α；模态的固有振动频率为相应模态的振型通过特征向量α获得；伞翼型漂浮式波浪能发电装置存在7阶模态；包括：一阶模态振型：当中心浮子绕y轴负方向转动时，所述水翼一(1)和水翼三(3)绕y轴正方向转动，同时水翼二(2)和水翼四(4)绕y轴正方向转动；二阶模态振型：当中心浮子绕x轴负方向转动时，水翼二(2)和水翼四(4)绕x轴正方向转动，同时水翼一(1)和水翼三(3)绕x轴正方向转动；三阶模态振型：当中心浮子沿z轴正方向移动时，水翼一(1)绕x轴正方向转动，水翼二(2)绕y轴负方向转动，水翼三(3)绕x轴负方向转动，水翼四(4)绕y轴正方向转动；四阶模态振型：当中心浮子保持静止时，水翼一(1)和水翼三(3)绕x轴正方向转动，同时水翼二(2)和水翼四(4)绕y轴正方向转动；五阶、六阶、七阶模态振型与四阶模态振型类似；同时各阶模态的固有振动频率满足关系：ω1＝ω2＜ω3＜ω4＝ω5＝ω6＝ω7其中，ω
j
(j＝1～7)为j阶模态的固有振动频率。8.根据权利要求3所述的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，所述步骤s5采用：调整水翼一(1)、水翼二(2)、水翼三(3)、水翼四(4)与中心浮子的静水恢复刚度参数及质量参数，使得一阶和二阶模态的固有振动频率满足关系：其中，t
wave
为波浪能发电装置工作海域的波浪周期，此时水翼与中心浮子间的相对运动在波浪周期约为t
wave
时最为剧烈，同时伞翼型漂浮式波浪能发电装置对波浪能的捕获功率在波浪周期约为t
wave
时达到最大。9.根据权利要求3所述的跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法，其特征在于，还包括：获取中心浮子质心位置对振动系统低阶模态固有频率的影响规律；中心浮子在横摇或纵摇方向上的静水恢复刚度表示为：k＝(z
cob-z
cog
)m
body
g其中，z
cog
为中心浮子的质心在坐标系下的z向坐标，z
cob
为中心浮子的浮心在坐标系下的z向坐标，且z
cob
＞z
cog
，m
body
为中心浮子的质量，g为重力加速度；调整参数z
cog
，重复触发步骤s3至步骤s5，获取对应的系统一阶、二阶模态的固有振动频率，得到中心浮子质心位置对振动系统低阶模态固有频率的影响规律。10.一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现系统，其特征在于，包括：
模块m1：根据波况初步确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数；模块m2：基于初步确定的伞翼型漂浮式波浪发电装置的参数构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型；模块m3：基于构建的伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的包含约束关系的广义水动力模型；模块m4：基于包含约束关系的广义水动力模型获取伞翼型漂浮式波浪能发电装置振动系统的模态；模块m5：根据低阶模态的固有频率确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数。

技术总结
本发明提供了一种跨周期捕能的漂浮式波浪能发电装置实现方法及系统，包括：步骤S1：根据波况初步确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数；步骤S2：基于初步确定的伞翼型漂浮式波浪发电装置的参数构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型；步骤S3：基于构建的伞翼型漂浮式波浪能发电装置的水动力模型构建伞翼型漂浮式波浪能发电装置的包含约束关系的广义水动力模型；步骤S4：基于包含约束关系的广义水动力模型获取伞翼型漂浮式波浪能发电装置振动系统的模态；步骤S5：根据低阶模态的固有频率确定伞翼型漂浮式波浪能发电装置的参数。的参数。的参数。


技术研发人员：陈卫星 路云飞 周博恩 黄浩 周松林 张永矿
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/28