【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于液压油路，特别涉及一种海上平台海浪能量捕获方法及其筏式液压发电装置。
技术介绍
1、随着对海洋资源的开发和利用，海洋观测设备不断增多，对设备的供电有多种形式，利用波浪能就是其中一种。利用波浪能能够有效实现节能减排，降低海上观测平台运行成本，对推动海洋开发、维护海洋权益有着重要作用。
2、当前的波浪能利用装置在运行过程中普遍存在只能在部分海况下高效发电、能量转化率低、装置成本高等问题。使用液压能作为能量捕获的中介相较其他形式具有能量传递稳定，能量转换效率高等特点，并且液压装置结构简单，技术成熟，可靠性好，实现蓄能稳压，常作为提能系统(power take-off system，pto)用于振荡体式波浪能转换装置中。使用控制系统对浮筏的姿态进行分析来精确调整设备内的阀体工作，实现在各种海况下的能量转换，提高能量捕捉和转化效率。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种海上平台海浪能量捕获方法及其筏式液压发电装置，通过计算浮筏的运动姿态及浮筏与海浪的运动关系，建立两铰接浮筏组成的数学模型，通过在不同海况的计算结果来控制换向阀工作位置，使装置对海洋能的捕获能力提高，同时能够在极端海况下保护装置，减弱海浪对系统的冲击和破坏。
2、为实现上述目的，本专利技术公开一种海上平台海浪能量捕获方法，其包括：
3、s1：构建海浪运动方程和海浪-浮筏耦合方程；
4、给定输入海浪参数，构建海浪运动方程；分析浮筏受力，建立海浪-浮
5、
6、其中，为海浪作用于浮动平台初始相位角；n为海浪编号；vn为海浪速度；pw为海水作用在浮筏圆截面s周围的压力；ps为海水作用在浮筏上的压力；
7、s2：建立用于筏式液压发电装置的液压提能系统数学模型；
8、所述液压提能系统数学模型是建立液压提能系统中液压元件的力学方程，具体包括浮筏的力学方程和电机与液压马达动力学方程；
9、所述浮筏的力学方程通过对液压缸与蓄能器进行分析得到液压缸对浮筏的作用力，进一步确定浮筏的力学方程为：
10、fpto(t)＝k(fb(t)-ft(t))r0
11、＝-k(ph-pl)atr0[u1-u3+(u4-u2)(1-α)]；
12、其中，fpto(t)为筏体的受力；fb(t)为上液压缸对筏体的作用力；ft(t)为下液压缸对筏体的作用力；k为筏体偏离静平衡位置的静水恢复力刚度矩阵；r0为液压缸到铰接中心距离；ph为高压蓄能器油液压力；pl为低压蓄能器油液压力；at为液压缸活塞截面面积；u1为第1换向阀工作状态；u2为第2换向阀工作状态；u3为第3换向阀工作状态；u4为第4个换向阀工作状态；α为液压缸活塞杆面积与活塞面积比；t为时间参数；
13、所述电机与液压马达动力学方程通过对蓄能器和液压马达进行分析，发电机负载为纯电阻时，其产生的阻力矩与其转速ωm成正比，得到电机与液压马达动力学方程为：
14、
15、其中，dm为液压马达的排量；ωm为液压马达的转速，为其导数；j为发电机转动惯量；bg为发电机阻尼系数；
16、s3：计算海浪捕获宽度比，确定筏式液压发电装置的换向阀控制规则；
17、s31：计算液压缸捕获的瞬时功率pinst_cap(t)，确定液压缸捕获能量e和平均功率pave_cap，捕获宽度比cwr的获取方法为：
18、
19、其中，cwr为捕获宽度比；pave_cap为液压缸平均功率；d为浮筏直径；ρ为海水密度；g为重力加速度；cg(ωn)为相应于第n个海浪频率ωn的海浪群速度；n为海浪总数；aw(ωn)为相应于第n个海浪频率ωn的波幅；ωn为第n个海浪频率；
20、s32：确定筏式液压发电装置的换向阀控制规则；根据最优控制理论确定哈密顿函数h与第i个换向阀的控制变量ui之间是线性关系，得到换向阀控制规则为：
21、
22、其中，ui为第i个换向阀工作状态；hi(λ,λ)为第i个哈密顿函数式；λ为状态向量；λ为伴随状态向量；i为换向阀编号；
23、s4：根据换向阀控制规则控制筏式液压发电装置，实现海浪能量捕获；
24、为使筏式液压发电装置在设定时间内捕获最多的能量，根据步骤s3得到的换向阀控制规则，在0或1中取值，当取值为1时为换向阀右位全开，当取值为0时换向阀左位全开，实现在不同海况下的高效能量转换。
25、可优选的是，步骤s1中构建海浪运动方程，具体为：
26、将整个浮筏系统的运动在oχdydzd笛卡儿坐标系中进行描述，其中以铰接中心为原点o，χdoyd为海平面，χd轴和yd轴分别沿着浮筏的轴向方向和径向方向，zd轴沿着重力的反方向；所述的海浪运动方程为：
27、
28、其中：γ(xd,zd,t)为海浪运动方程；χd为海浪在轴向上的位移坐标；zd为海浪在重力的反方向上的位移坐标；a为海浪波高；λ为海浪波长；θ为海浪的平均倾角；ω为海浪的频率；
29、根据海浪运动方程对时间的偏导数确定出海浪运动速度如下：
30、
31、其中：v为海浪运动速度；为海浪运动方程对时间的偏导数。
32、可优选的是，步骤s1中的分析浮筏受力，建立海浪-浮筏耦合方程，具体为：
33、根据浮筏在海浪的作用下产生的纵荡、垂荡和纵摇三个模态的运动及合浮筏的尺寸参数，计算单个浮筏的受力，结合海浪运动方程得出海浪-浮筏耦合方程；
34、所述浮筏的运动方程为：
35、
36、其中：m为单个浮筏的质量；m为单个浮筏绕重心的转动惯量；为单个浮筏方向运动的加速度；为单个浮筏转动的角加速度；f为作用于单个浮筏在重力方向上的合力；n为作用域单个浮筏重心的合力矩；
37、所述浮筏受海浪作用下的力为：
38、
39、其中：fp为作用在浮筏表面的水压力；np为作用在浮筏表面上的水压力对中心的力矩；fg为浮体筒的重力；f1为上活塞对浮体筒的作用力；f2为下活塞对浮体筒的作用力；z0为活塞中心至转动轴的距离向量；ey为径向方向的单位向量；ez为重力反方向的单位向量；
40、记浮筏筒面为s，所述作用在浮筏表面的水压力fp和作用在浮筏表面上的水压力对中心的力矩np为：
41、
42、其中:ns为面s的法向向量；rs为从浮体筒重心到面s中心的距离向量；
43、流体在浮筏筒面s周围的压力pw与作用在浮体筒上的压力ps相等，流体在面s法向方向的流速与该浮筏筒面法向速度vn相等，得到海浪-浮体耦合方程。
44、可优选的是，步骤s2中的对液压缸与蓄能器进行分析得到液压缸对浮筏的作用力，具体为：
45、液压缸腔室中油液压力为pi，其中i＝1，2，3，4，由第i个换向阀控制第i本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于，其包括：
2.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤S1中构建海浪运动方程，具体为：
3.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤S1中的分析浮筏受力，建立海浪-浮筏耦合方程，具体为：
4.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤S2中的对液压缸与蓄能器进行分析得到液压缸对浮筏的作用力，具体为：
5.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤S2中对蓄能器和液压马达进行分析，具体为：
6.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤S3中计算液压缸捕获的瞬时功率Pinst_cap(t)，确定液压缸捕获能量E和平均功率Pave_cap，具体为：
7.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤S32中根据最优控制理论确定哈密顿函数H与第i个换向阀的控制变量ui之间是线性关系，获得系统状态方程为：进一步确定伴随状态向量Λ满足协状态方程为：
...【技术特征摘要】
1.一种海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于，其包括：
2.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤s1中构建海浪运动方程，具体为：
3.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤s1中的分析浮筏受力，建立海浪-浮筏耦合方程，具体为：
4.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤s2中的对液压缸与蓄能器进行分析得到液压缸对浮筏的作用力，具体为：
5.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤s2中对蓄能器和液压马达进行分析，具体为：
6.根据权利要求1所述的海上平台海浪能量捕获方法，其特征在于：步骤s3中计算液压缸捕获的瞬时功率pinst_cap(t)，确定液压缸捕获能量e和平均功率pave_cap，具体为：
7.根据权利要求1所...
【专利技术属性】
技术研发人员：王建伟，柴佳琛，何泽，靳枭梵，刘旭初，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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