一种浮子式波能发电装置电缆构型方法

1.本发明涉及波浪能发电领域，主要是浮子式波能发电装置电缆构型方法的研究，提出了一种在电缆上安装浮力块的方法，通过考虑电缆长度、电缆重量、电缆上浮力块的安装长度等因素，得到电缆最优的构型方案。
技术背景
2.点吸收式波能发电装置是一种将波浪能转化为电能的重要装置，但传统上对波能发电装置的研究多是对浮子装置本身进行的，研究的目的主要是提高发电效率，降低成本。很少有学者对传输电力的电缆进行研究。点吸收式波能发电装置的电缆多为两端悬挂的悬链线形状，受浮子运动和电缆自身因素的影响，电缆在波能发电装置正常运行过程中很容易承受较大应力，从而发生疲劳损伤破坏。因此有必要对电缆构型进行优化，延长电缆使用寿命。


技术实现要素：

3.本发明为波能发电装置电缆构型的优化方法，提出一种在电缆上安装浮力块的方法，并考虑了电缆长度、电缆重量、浮力块长度等因素，应用响应面法对电缆构型方案进行分析预测，得到电缆目标值与响应值之间的函数关系。然后设置求解条件，找到一种改善电缆所受应力情况的最优构型方案。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.确定浮子式波浪能发电装置电缆浮力块的安装位置，本发明以电缆左四分之一位置、电缆中间位置、电缆右四分之一位置为例进行了说明。将电缆长度、电缆重量、浮力块长度作为影响电缆性能的研究变量，并确定每个目标值各自的水平，将电缆应力作为评价电缆性能的标准。
6.通过响应面法对电缆研究变量进行排序分配，得到电缆的测试方案，对照测试方案进行数值仿真模拟，得到每个方案对应的电缆最大应力。
7.根据电缆长度、电缆重量、浮力块长度以及电缆应力建立回归方程；根据实际需求构建约束条件。
8.求解回归方程，找到电缆最小应力以及对应的电缆长度、电缆重量、浮力块长度等参数组合，即为电缆的最优构型方案。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
10.在浮子式波浪能发电装置电缆结构上安装浮力块，通过浮力块提供浮力，从而带动电缆上浮，改变了传统悬链线式的电缆线型，改善了电缆所受应力情况。
11.通过引入响应面法确定了电缆测试方案，减少了方案测试的组数，节省了大量时间和计算机资源。
12.根据测试方案进行数值仿真模拟，得到关于电缆长度、电缆重量、浮力块长度以及电缆应力的回归方程，然后根据实际需求建立约束条件，求解方程得到最优的电缆构型方
案。
13.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
14.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
15.图1为本发明实施例1提供的浮子式波浪能发电装置安装浮力块后的简化示意图
16.图2为本发明实施例1提供的浮力块安装方式的简化示意图
17.图3为本发明实施例1提供的沿电缆长度分布的电缆应力情况示意图
18.图4为本发明实施例1提供的电缆长度和电缆重量对电缆应力的影响示意图
19.图5为本发明实施例1提供的电缆长度和浮力块长度对电缆应力的影响示意图
20.图6为本发明实施例1提供的电缆重量和浮力块长度对电缆应力的影响示意图
具体实施方式
21.下面结合附图以及实施例对本发明做进一步说明。
22.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
24.实施例1：如图1所示，本实施例对浮子式波能发电装置的案例的电缆结构进行研究，其浮子式波能发电装置包括：浮子、锚链、电缆、浮力块以及集输桩。
25.为了说明本发明实施效果，以如下参数为例进行分析。波能发电装置采用四锚链系统，假设浮子为高度10m、直径5m的空心圆柱结构；电缆长度和重量是研究的变量，其值分别取78-86m、2-6kg/m；浮力块的长度也是研究变量，其值取1-5m。
26.本实施例置于中国南海的某海域，海水深度50m；波浪方向与电缆垂直，波浪类型采用不规则波jonswap谱，hs＝2m，tz＝7s；海流方向选择与波浪同向，海面处流速1m/s，海底处流速0.2m/s，海流速度随海水深度递减。
27.为了说明本发明的实施流程，以浮力块安装在电缆上的三个位置为例进行说明。
28.如图2所示，浮力块被安装在电缆的左四分之一位置、中间位置和右四分之一位置，浮力块的长度取1-5m，浮力块以1m为单位长度，安装的方式为在电缆上每隔1m长度安装单位长度浮力块。
29.当发电装置运行时，浮子会在波浪和海流的作用下向波流方向偏移，达到稳定位
置时在垂向方向上振荡，与浮子相连的电缆也会随之振荡。
30.浮力块在海水浮力的作用下上浮，从而抬升部分的电缆结构，改变电缆在水中的线型。
31.通过数值仿真模拟可以得到沿电缆长度变化的电缆应力情况，选择电缆应力最大位置处的电缆应力作为评价电缆性能的标准，如图3所示。
32.如下表所示，通过响应面法可得到电缆测试方案以及按照每个方案进行数值仿真模拟得到与之对应的电缆应力：
[0033][0034][0035]
在应用过程中采用多项式响应面来表示系统目标值与响应目标之间的关系，即：
[0036][0037]
式中，是基函数；βi是基函数的系数；k是基函数的个数。
[0038]
在实际应用中，多项式响应面模型的形式可以根据工程经验确定，在设计变量范围内通常采用低阶多项式近似。
[0039]
模型中未知系数采用最小二乘法逼近，二阶响应面模型通常用以下公式表示：
[0040][0041]
式中，k是设计变量的个数，ε是随机误差，xi是输入的设计变量，y
x
是近似的响应值，β0、βi、β
ii
、β
ij
分别为偏移项、线性偏移项、二阶偏移项和交互作用系数。
[0042]
按照测试方案进行电缆的数值仿真模拟，得到每个方案下的电缆应力情况，然后根据上述的方法构建表征电缆长度、电缆重量和浮力块长度以及电缆应力关系的回归方程，即：
[0043]
式中，y
x
为电缆中最大应力，x1、x2、x3分别为电缆长度，电缆重量和浮力块的长度。
[0044]
根据得到的回归方程以及根据需求设置的约束条件，即：ys＝min(y
x
)，建立好回归方程的约束条件后求解，即可得到电缆最优构型方案下的电缆最小应力。
[0045]
如图4所示为电缆长度和电缆重量对电缆应力的影响情况，图中的满意度点(小旗子)在图的左上角，即为电缆长度较短，重量较大处。
[0046]
如图5所示为电缆长度和浮力块长度对电缆应力的影响情况，图中的满意度(小旗子)点在图的左上角，即为电缆长度较短，浮力块长度较长处。
[0047]
如图6所示为和电缆重量和浮力块长度对电缆应力的影响情况，图中的满意度(小旗子)点在图的右上角，即为电缆重量较大，浮力块长度较长时。
[0048]
根据回归方程和约束条件，预测给出的方案中电缆的长度较短，电缆的应力越小，随着电缆长度的增加，电缆的应力也在变大；电缆重量较小时，电缆应力较大，电缆重量较大时，电缆的应力反而在变小；浮力块的长度在5m左右时，电缆的应力最小。
[0049]
对电缆浮力块安装在左四分之一位置、中间位置和右四分之一位置方案进行了比较，得出电缆在右四分之一位置安装浮力块方案的效果最好，此时电缆的最小应力为3946360pa，对应的电缆方案为：电缆长度为78.20m，电缆重量为5.94kg/m，浮力块长度为4.95m。
[0050]
另外，又对电缆不安装浮力块的9组方案进行了数值仿真模拟，电缆不安装浮力块时，电缆的设计因素只有电缆长度和电缆质量，根据仿真的结果可知，这些方案下的电缆最小应力为4469590pa，对应方案的电缆长度为82m，电缆质量为6kg/m。
[0051]
从数据结果可知，浮力块安装位置靠近电缆最大应力位置时效果最好，此时在电缆上安装浮力块可使电缆应力降低9.3％左右。
[0052]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。