本發(fā)明涉及一種用于就轉(zhuǎn)矩方面調(diào)整波浪發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子的方法和系統(tǒng)。圍繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩是部分地或完全地由電動(dòng)機(jī)器產(chǎn)生的力矩來補(bǔ)償?shù)摹?/p>

申請(qǐng)人的更早的國(guó)際專利申請(qǐng)wo2013/156674a2披露了一種用于優(yōu)化本體傾斜度和力矩的協(xié)調(diào)的解決方案。在那里，本體被塑造成被淹沒在水下足夠深度的豎直或傾斜的墻壁。通過利用波浪的內(nèi)流，建立了在本體的傾斜中的、也可以利用水平加速度引起的力矩的階段。這對(duì)于以符合波浪表面的方向的方式來浮動(dòng)的本體是不可能的。由傾斜和加速度產(chǎn)生的力矩現(xiàn)在總結(jié)為死質(zhì)量轉(zhuǎn)矩。在使用旋輪(spinningwheel)的情況下，旋輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和死質(zhì)量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)過程中交替并且每個(gè)轉(zhuǎn)矩在該回轉(zhuǎn)過程中工作兩次，由此產(chǎn)生通常以約90°的間隔重復(fù)的轉(zhuǎn)矩并且努力使轉(zhuǎn)子朝相同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這種安排對(duì)于在水平方向較長(zhǎng)的本體是有益的。

申請(qǐng)人的更早的國(guó)際申請(qǐng)wo2014/001627a1和wo2015/040277a1披露了一種波浪發(fā)電設(shè)備，其中本體具有的水平長(zhǎng)度大小范圍與其高度相同。在這種情況下，可以用通過其將本體設(shè)置成回旋運(yùn)動(dòng)的安排來進(jìn)一步增強(qiáng)操作，即，使轉(zhuǎn)子軸的這種傾斜能夠圍繞理論豎直軸線抵抗轉(zhuǎn)子軸來回斜地回轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)力矩始終可用。同樣，旋輪產(chǎn)生的力矩在整個(gè)回轉(zhuǎn)中是連續(xù)的。

先前已知通過調(diào)整如發(fā)電機(jī)的電動(dòng)機(jī)器的負(fù)載來調(diào)整補(bǔ)償力矩。然而，待補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩非線性地波動(dòng)并且方式難以預(yù)料。這使得補(bǔ)償調(diào)整具有挑戰(zhàn)性，并且調(diào)整設(shè)備復(fù)雜且昂貴。

本發(fā)明的目的是提供一種方法和系統(tǒng)，通過該方法和系統(tǒng)可以以比以前更簡(jiǎn)單、更容易且更有效的方式來調(diào)整力矩，由此改進(jìn)波浪發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行可靠性和性能輸出，同時(shí)簡(jiǎn)化調(diào)整系統(tǒng)。本發(fā)明的具體目的還是使得能夠?qū)⒒谛喠Φ难a(bǔ)償因數(shù)添加到基于質(zhì)量力確定的補(bǔ)償因數(shù)上。

這個(gè)目的是通過本發(fā)明的發(fā)明基于所附權(quán)利要求1中介紹的特征來達(dá)到的。該目的也通過權(quán)利要求8所介紹的系統(tǒng)特征來達(dá)到的。在從屬權(quán)利要求中介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

本發(fā)明的方法和系統(tǒng)特別適用于能夠?yàn)檗D(zhuǎn)子軸產(chǎn)生盡可能純凈的回旋運(yùn)動(dòng)的波浪發(fā)電設(shè)備。所定義的回旋運(yùn)動(dòng)和本發(fā)明的力矩調(diào)整的組合可以用于使得在甚至不規(guī)則的波浪中也能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和連續(xù)的能量產(chǎn)生。換言之，本發(fā)明可以用于改進(jìn)波浪發(fā)電設(shè)備在各種不同波浪狀況下的輸出性能和工作能力。

因此，在本發(fā)明中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了為補(bǔ)償力矩的調(diào)整創(chuàng)造條件，其方式例如為使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可以維持相對(duì)恒定，從而使得容易使旋轉(zhuǎn)速度與現(xiàn)有波浪條件同步。本發(fā)明特別適用于波浪發(fā)電設(shè)備，其中本體平面的傾斜既在與該平面垂直的方向上又在與該平面平行的方向上同時(shí)發(fā)生，組合運(yùn)動(dòng)由此產(chǎn)生回旋運(yùn)動(dòng)。在這種背景下，回旋運(yùn)動(dòng)是指轉(zhuǎn)子軸的錐形運(yùn)動(dòng)路徑，這種錐形具有圓形形式以外的截面，例如橢圓形。結(jié)果，響應(yīng)于波浪的流動(dòng)，本體和轉(zhuǎn)子軸具有其主要在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上圍繞豎直軸線回轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)的傾斜方向。波浪周期決定了本體傾斜方向的旋轉(zhuǎn)速度。

此外，本發(fā)明還能夠利用本申請(qǐng)人的更早的專利申請(qǐng)wo2013/156674a2中披露的益處，即傾斜和水平加速度在傾斜/重力和運(yùn)動(dòng)加速度的力矩彼此強(qiáng)化的這樣的階段中彼此重合。此外，可以如所希望地將旋輪力的力矩用作轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)均衡器。這樣做的結(jié)果是高且相對(duì)一致的力矩和高輸出性能。

配備有本發(fā)明的補(bǔ)償力矩調(diào)整的波浪發(fā)電設(shè)備，無論波浪大小如何，都以高效率和相當(dāng)一致的方式發(fā)電，因?yàn)榈湫偷淖匀徊ɡ说拈L(zhǎng)度/高度尺寸差不多是恒定的。

現(xiàn)在將參考附圖甚至更加精確地展示和描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1示出了用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的系統(tǒng)圖；

圖2展示了將本發(fā)明的調(diào)整應(yīng)用于圖1的系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子；

圖3a示出了在與圖2的加速度向量相差的轉(zhuǎn)子滯后在-pi-pi的角范圍內(nèi)時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)子滯后完全補(bǔ)償力矩的調(diào)整曲線圖或補(bǔ)償因數(shù)b；

圖3b示出了一個(gè)斜坡k，其可以用于在波浪發(fā)電設(shè)備正在發(fā)電的情況下在希望時(shí)使滯后倍增，即轉(zhuǎn)子具有為正的滯后角；

圖3c示出了根據(jù)滯后乘以圖3b的因數(shù)確定的補(bǔ)償曲線圖；

圖3d示出了附加倍增因數(shù)(s)，其取決于轉(zhuǎn)子的角速度，并且補(bǔ)償因數(shù)b可以與其相乘來保持轉(zhuǎn)子速度接近目標(biāo)速度，即對(duì)應(yīng)于平均波浪周期的速度；

圖3e示出了用于禁止轉(zhuǎn)子朝負(fù)方向旋轉(zhuǎn)的一個(gè)斜坡；

圖4示出了與圖1類似的與飛輪部分的補(bǔ)償有關(guān)的系統(tǒng)圖。

在圖1中以原理示意圖示出了本發(fā)明的調(diào)整系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式。轉(zhuǎn)子2和本體1在結(jié)構(gòu)上可以屬于任何已知類型，例如屬于在以上引用的申請(qǐng)中描述的類型。這些不構(gòu)成本發(fā)明的目的，不再進(jìn)一步討論。

本體1的淹沒部分的豎直尺寸通常大于截面的水平尺寸。優(yōu)選地，本體的高度的超過80％在水下，并且本體1的尺寸被確定成在豎直方向上延伸到大幅度存在波浪運(yùn)動(dòng)的深度。本體1漂浮在水上，并系泊的方式使得當(dāng)本體與波前w接觸時(shí)，本體來回?cái)[動(dòng)或進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)子2被支撐在本體上以圍繞豎直軸5轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子包括臂3，該臂的一端通過軸承安裝在豎直軸上，而另一端承載具有的質(zhì)量用字母m表示的重質(zhì)量4。質(zhì)量4沿著路徑6、例如沿順時(shí)針方向循環(huán)。轉(zhuǎn)子2驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)7，該發(fā)電機(jī)通過變換器8向輸出線路9供給電力。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生有待補(bǔ)償?shù)牧?，?yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)子以便使轉(zhuǎn)子的角位置和角速度關(guān)于本體的移動(dòng)是有利的。本體的加速度向量的方向與轉(zhuǎn)子的方向之間的差異產(chǎn)生轉(zhuǎn)子軸5的轉(zhuǎn)矩。

在這種安排中，轉(zhuǎn)子2能夠不僅利用本體的傾斜(回旋)和重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，而且還利用水平加速度、即投影到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)平面上的加速度向量產(chǎn)生的力矩。俯仰方向上的加速度與波浪傳播方向平行。在最大加速度時(shí)，轉(zhuǎn)子的方向與加速度向量之間的相位角是它應(yīng)是的樣子(優(yōu)選為30-90度)，這個(gè)力矩以及時(shí)方式在正確方向上工作。

加速度傳感器11被定位成基本上與轉(zhuǎn)子2的軌跡6齊平，例如鄰近軌跡或靠近豎直軸5。加速度傳感器11優(yōu)選地是用于測(cè)量x、y和z方向上的加速度的3d加速度傳感器、并且關(guān)于旋輪轉(zhuǎn)子(圖4)而言是加速度和傾斜速度傳感器21(慣性傳感器)。加速度數(shù)據(jù)和關(guān)于轉(zhuǎn)子的角位置的信息通過信號(hào)路徑12、13和14傳送到包括在信號(hào)處理單元19中的框15中，在該框中計(jì)算補(bǔ)償力矩以用于基本調(diào)整。對(duì)于基本調(diào)整，將在彼此垂直的方向上測(cè)量本體1的給定點(diǎn)的加速度accx和accy，這些方向與轉(zhuǎn)子的軌道平面是同一方向，并且將建立測(cè)得的加速度的、具有大小為和方向?yàn)棣羇cc的向量vxy。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子2的方向，即角位置α，并根據(jù)加速度向量vxy的方向αacc確定及其滯后αlag。通過此信息確定可用于調(diào)整補(bǔ)償力矩的補(bǔ)償因數(shù)b。補(bǔ)償因數(shù)b的子因數(shù)包括加速度向量vxy的大小和滯后角的正弦值(sinαlag)。

因此，從以下公式獲得補(bǔ)償因數(shù)b

在圖3a中展示了由此建立的補(bǔ)償因數(shù)b(基本調(diào)整曲線圖/基線)與滯后αlag之間的關(guān)系。因此，轉(zhuǎn)子滯后可以始終表示為-pi-pi范圍內(nèi)的角度。當(dāng)+/-pi改變符號(hào)時(shí)，補(bǔ)償因數(shù)b為零。

當(dāng)考慮到轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m和臂3的長(zhǎng)度e時(shí)，結(jié)果是有用的補(bǔ)償力矩

tcomp＝b·m·e(2)

在如發(fā)電機(jī)7的電動(dòng)機(jī)器中使用這個(gè)補(bǔ)償力矩tcomp使得能夠?qū)D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩進(jìn)行部分或完全補(bǔ)償。在圖1的系統(tǒng)中，基于傳感器數(shù)據(jù)，在單元15中計(jì)算補(bǔ)償因數(shù)b和補(bǔ)償力矩(公式2)。

如果如此使用補(bǔ)償因數(shù)b，即具有100％的效果，則即使本體的加速度波動(dòng)，補(bǔ)償力矩也努力保持轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度不變。

補(bǔ)償因數(shù)b可以乘以一因數(shù)(圖3b)，其中0代表根本無補(bǔ)償，1代表100％補(bǔ)償，而1以上的值代表過補(bǔ)償，由此使轉(zhuǎn)子進(jìn)一步落在本體傾斜方向后面，即滯后趨于增大。

如果希望波浪發(fā)電設(shè)備始終發(fā)電，則當(dāng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向(正速度)旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以使滯后角為負(fù)時(shí)的補(bǔ)償因數(shù)為零，并且可以將正的滯后角與圖3b在所示的斜坡相乘。因此，用于確定補(bǔ)償因數(shù)b的滯后角(αlag)乘以斜坡型校正因數(shù)k，該滯后角從值0變到值pi時(shí)，該校正因數(shù)的值減小。校正因子k優(yōu)選地被選擇成其方式為使得校正后的補(bǔ)償因數(shù)bk努力將轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)到在1/3pi-¹/2pi的范圍內(nèi)的滯后角(αlag)。這在圖3c中更精確地示出，其中補(bǔ)償曲線圖bk在理想條件下努力將轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)到與圖3c中呈現(xiàn)的曲線圖的交叉點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的滯后。

可以通過使用從波浪狀況傳感器18獲得的關(guān)于波浪高度的信息來確定倍增因數(shù)k。可以實(shí)驗(yàn)式地搜索就波浪高度或其他波浪信息而言的倍增因數(shù)k的最佳值。

此外，可以通過保持轉(zhuǎn)子速度接近目標(biāo)速度，即對(duì)應(yīng)于平均波浪周期的速度，來改進(jìn)補(bǔ)償調(diào)整。因此，補(bǔ)償因數(shù)b可以乘以與速度相關(guān)的附加倍增因數(shù)s，該附加倍增因數(shù)是通過監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的角速度和平均波浪周期而獲得的。轉(zhuǎn)子的角速度和平均波浪周期可以直接從測(cè)量本體的加速度的加速度傳感器或從分開的波浪狀況傳感器18獲得。圖3d描繪了與速度相關(guān)的附加倍增因數(shù)s的實(shí)例，其例如是二次函數(shù)。

因此，可以通過電動(dòng)機(jī)器來補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩(其同時(shí)是使發(fā)電機(jī)7轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩)為：

當(dāng)ω>0時(shí)，t(αlag，ω)＝b(αlag)·m·e·k(αlag)·s(ω)(3)

將根據(jù)波浪狀況非線性變化的這個(gè)力矩的幅值作為沿著線10的調(diào)節(jié)變量被供給到變換器8，該變換器努力將力矩維持在與調(diào)整變量相匹配的值。

通過根據(jù)圖3e中呈現(xiàn)的斜坡就可以阻止轉(zhuǎn)子在負(fù)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且由此加快重新啟動(dòng)。在這種情況下，供給到電動(dòng)機(jī)器的力矩是：

當(dāng)ω≤0時(shí)，t＝r·ω。(4)

補(bǔ)償調(diào)整應(yīng)進(jìn)一步涉及到輸入旋輪力。這將參照?qǐng)D4進(jìn)行討論。在圖4中，發(fā)電機(jī)7對(duì)于旋輪和質(zhì)量轉(zhuǎn)子部分而言是共同的。慣性傳感器21測(cè)量的本體的旋轉(zhuǎn)速度是較早描述的回旋運(yùn)動(dòng)。慣性傳感器21將本體的旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量為分量，即圍繞x、y和z軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。(在這種情況下，主要是圍繞水平x軸和y軸，并且z分量可以忽略)。在信號(hào)處理和計(jì)算單元(25)中建立了旋轉(zhuǎn)速度的x和y向角速度(avx和avy)的結(jié)果，并且計(jì)算轉(zhuǎn)子的所建立的結(jié)果角速度與方向(α)之間的角偏差(laggyro)。

如上所述處理質(zhì)量力。旋輪力以相應(yīng)的方式進(jìn)行處理，但是必須以本體傾斜的旋轉(zhuǎn)速度avx-y(來自慣性傳感器21)來代替vx-y加速度，并且必須用旋輪力代替質(zhì)量，該旋輪力取決于旋輪的慣性i和旋轉(zhuǎn)速度ωs。因此，基于旋輪力的補(bǔ)償因數(shù)為

其中

av＝從慣性傳感器21獲得的本體的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)或回旋運(yùn)動(dòng)的角速度。因此，平方根表達(dá)式是x和y向角速度的結(jié)果；

laggyro＝av結(jié)果與轉(zhuǎn)子的方向α之間的角偏差；并且

ωs＝旋輪的旋轉(zhuǎn)速度。

通過使補(bǔ)償因數(shù)bav與旋輪的慣性i相乘來獲得旋輪力的補(bǔ)償力矩。

應(yīng)注意，公式中使用的滯后laggyro現(xiàn)在是根據(jù)本體的旋轉(zhuǎn)向量(來自慣性傳感器)與轉(zhuǎn)子方向之間的角度計(jì)算的。

前述公式中已經(jīng)檢查過的是補(bǔ)償因數(shù)的絕對(duì)值。隨著轉(zhuǎn)子在選擇的運(yùn)行方向上旋轉(zhuǎn)，這一力矩被作為與旋轉(zhuǎn)方向相反的量遞送給控制器。因此，問題是關(guān)于發(fā)電。這也適用于旋輪部分，只要旋輪具有的旋轉(zhuǎn)方向使得旋輪的頂邊緣沿對(duì)于轉(zhuǎn)子而言所期望的旋轉(zhuǎn)方向行進(jìn)即可。

如果在上述情況不同的條件下期望使用補(bǔ)償，則公式(1)和(5)中存在的正弦規(guī)則可以被標(biāo)記以負(fù)號(hào)。因此，問題并非在于發(fā)電，而是作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子來運(yùn)行，這可以偶爾地用于改進(jìn)動(dòng)作的連續(xù)性。

質(zhì)量力的補(bǔ)償力矩(包括可能的調(diào)整加權(quán))和旋輪力的補(bǔ)償力矩(包括可能的調(diào)整加權(quán))最終被加和并且遞送到發(fā)電機(jī)7。

從旋輪24到達(dá)發(fā)電機(jī)7的軸處的力矩是根據(jù)旋輪的參數(shù)計(jì)算的。這一力矩可以作為反轉(zhuǎn)矩被遞送到發(fā)電機(jī)7，即便全時(shí)全載也是如此。在這種情況下，滯后是通過質(zhì)量轉(zhuǎn)子的補(bǔ)償系數(shù)來調(diào)整的。如果期望的話，可以通過以類似于圖1的方式將與地點(diǎn)相關(guān)的遞增或遞減倍增因數(shù)計(jì)算進(jìn)入旋輪部分的補(bǔ)償因數(shù)來提高滯后的可調(diào)整性。在圖4的調(diào)整圖中，可以在框26中計(jì)算這些可能的附加調(diào)整倍增因數(shù)。旋輪的質(zhì)量和轉(zhuǎn)子中存在的所有外圍設(shè)備當(dāng)然作為質(zhì)量轉(zhuǎn)子部分的“質(zhì)量”起作用。