本发明属于波浪发电领域，具体涉及一种可根据波浪条件灵活改变浮子吃水深度，进而改变浮子的固有频率，使系统最大时间范围内工作在近共振最优状态的波浪发电装置。
背景技术：
海洋是一座蕴含着丰富能源的宝库，海洋中的能源包括，潮汐能，波浪能，温差能，盐差能和海流能等等形式。海洋中的能源不仅是一种可再生能源，而且绿色无污染，在能源危机加剧的形势下，是一种非常有前景的能源。其中的波浪能发电技术，近年来许多国家进行了不同程度的研究。目前研发的波浪能捕获技术，有点吸式、鸭式、振荡水柱式、摆式等。其中点吸式波浪能发电技术，具有转化效率高、容易建造、成本低、一般不会受制于波浪方向等优点，所以受到了广泛的重视。点吸收装置是依靠浮子的随波浪的上下震荡而转化成机械能，然后转化为电能的一种方式。当浮子的固有频率与波浪的频率形成共振的时候，浮子的振幅将会达到最大，此时的转换效率最高。一般而言，浮子在制作出来之后，其参数将很难改变，包括浮子的尺寸、刚度、质量、重心、附加质量等。因此，一般的波浪能发电系统在建立之后就有一定的局限性，即只能在一定波浪频率范围内达到系统的捕获效率最大。针对不同地方的不同海况，还需设计不同的构造。针对这些问题，不同的学者也在改变不同的参数方面做了一定的探索。但是现在还未有根据附加质量和浮子吃水深度等为控制变量而进行调节的设计。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对波浪的不可预测性，设计一种可以实现自动调节吃水线的浮子，以此为基础，设计对应波浪能捕获系统，根据波浪频率的变化自动调整浮子在静水中的吃水深度,最终使浮子工作状态维持在近共振状态。技术方案如下：
一种用于波浪频率自适应波浪能发电系统的浮子，包括水腔1、隔板2、气腔3、调节轴4、小孔14和浮子外壳16，隔板2用于将浮子内部分割为上部的气腔3和下部的水腔1；隔板2与调节轴4之间通过螺纹连接，调节轴4的旋转会带动隔板2的上下移动，从而对浮子的吃水深度进行动态调节；在浮子外壳16的顶部和底部均开设有小孔14；浮子中间的调节轴4向上与永磁直线发电机动子10同轴直连，再向上通过连接部件13与直流电动机12相接，调节轴4、永磁直线发电机动子10、直流电动机12的轴线在同一条直线上。
其中，永磁直线发电机与直流电动机之间的连接部件13，应当使系统在正常工作的时候，直流电动机的存在不会妨碍浮子的垂荡运动。永磁直线发电机定子9的感应线圈固定在海上固定平台6之上。
本发明同时提供一种采用所述的浮子的波浪频率自适应波浪能发电系统，包括波浪状态检测系统，参数调节系统，波浪能捕获系统、发电系统和太阳能蓄电池系统，其特征在于，波浪能捕获系统依靠浮子的运动，把波浪能转化为机械能。浮子的垂荡运动带动永磁直线发电机动子作直线往复运动，进而永磁直线发电机把机械能转化为电能，所产生的电能将给负载供电，多余电能则反馈给太阳能蓄电池系统；波浪状态检测系统实时检测波浪频率的变化并将其信息传递给参数调节系统，参数调节系统根据当前的波浪频率进行实时计算和判断，若波浪频率变化幅度超出预设的变化幅度，驱动直流电动机对波浪能捕获系统的控制参数进行调节。
太阳能蓄电池系统7给波浪状态检测系统和参数调节系统8提供其正常运行所需的电能。
本发明的有益效果如下：
1)浮子部分包括水腔1、隔板2、气腔3、调节轴4、小孔14和浮子外壳16。隔板2和调节轴4之间通过螺纹连接。这样浮子的吃水深度可以直接通过调节轴4的旋转圈数记录，无需额外传感器。
2)系统简单，可以直接通过增加永磁直线发电机组数量而进行扩展。
3)浮子的垂荡运动不会妨碍浮子吃水深度的调节，系统可以在不中断系统运行的情况下，对浮子的吃水深度进行直接调节。
4)利用压力式液位传感器5实时检测波浪的外在状态参数变化，较基于浮标跟踪测量波浪变化更加精确。
5)浮子的调节轴4与永磁直线发电机动子10同轴直连，减小了损耗，提高了系统效率。
6)波浪发电系统产生的多余电能可以反馈给蓄电池系统，提高能源利用率。
7)系统的大部分主要器件建立在海洋固定平台6的上方，并且有外壳11保护，降低了海水的腐蚀影响。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图。
图2是本发明的发电系统结构示意图。
图中：1为水腔；2为隔板；3为气腔；4为调节轴；5为压力式液位传感器；6为海上固定平台；7为太阳能蓄电池系统；8为参数调节系统；9为永磁直线发电机定子；10为永磁直线发电机动子；11为外壳；12为直流电动机；13为永磁直线发电机与直流电动机连接部件；14为小孔；15为细杆；16为浮子外壳；17为圆柱体浮子。水腔1、隔板2、气腔3、调节轴4、小孔14和浮子外壳16组成圆柱体浮子17。
图3是图2中直流电动机与永磁直线发电机的连接部件13的结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2和图3，这是一种可以根据外部波浪条件的变化而自动调节圆柱体浮子17吃水深度的波浪能发电系统，包括波浪状态检测系统，参数调节系统8，波浪能捕获系统、发电系统和太阳能蓄电池系统7。
具体为，波浪能捕获系统依靠圆柱体浮子17的运动，把波浪能转化为圆柱体浮子17的机械能。圆柱体浮子17的垂荡运动带动永磁直线发电机动子10作直线往复运动，进而永磁直线发电机把机械能转化为电能。所产生的电能将给负载供电，多余电能则反馈给蓄电池系统。在系统正常运行的同时，波浪状态检测系统实时检测波浪频率的变化并将其信息传递给参数调节系统8。参数调节系统8会根据当前的波浪频率进行实时计算和判断。若波浪频率变化幅度超出预设的变化幅度，波浪能捕获系统将不能运行于近共振状态。此时，参数调节系统8将根据当前最新波浪频率进行计算，得出适用于系统近共振运行的最优的波浪能捕获系统参数，并驱动直流电动机12对波浪能捕获系统的控制参数进行调节，使波浪能捕获系统重新工作于近共振最优状态。
所述系统中，太阳能蓄电池系统7给波浪状态检测系统和参数调节系统8提供其正常运行所需的电能。
所述的波浪状态检测系统通过压力型液位传感器5实时监测波浪频率的变化，得到的波浪数据被输入到参数调节系统8。其中，海上固定平台6上安装固定的金属细杆15，深入海水液面以下，起到保护压力型液位传感器5免受横向波浪冲击的作用。
所述的参数调节系统8在波浪的变化幅度超出预设的变化幅度之后，由参数调节系统8根据当前的波浪频率计算出当前波浪状态下最合适的浮子吃水深度。具体计算过程如下：
所述圆柱体浮子系统的垂荡固有频率fz为
其中ρ为海水密度，g为重力加速度，awp为浮子底面积，m为浮子质量，mw为浮子附加质量。
附加质量mw为：
mw＝0.167ρk(d)d3(2)
圆柱体浮子质量m为：
m＝m0+ρawp(d-d0)(3)
其中d为圆柱体浮子17的底面直径，m0为隔板2处于最下方时圆柱体浮子17初始质量，d为圆柱体浮子17的吃水深度，d0为隔板2处于最下方时圆柱体浮子17的初始吃水深度。k是与浮子吃水深度d相关的函数。
因此，根据实测得出浮子在不同吃水深度下相对应的多组附加质量数值，利用最小二乘曲线拟合法进行逆向拟合求得函数k(d)。进而由式(1)、式(2)和式(3)可得使浮子工作于近共振状态对应垂荡固有频率fz对应的最佳浮子吃水深度。根据计算得出结果，控制直流电动机12带动永磁直线发电机动子10旋转，进而带动调节轴4旋转，完成对圆柱体浮子17吃水深度的调节。由于浮子调节轴4的螺纹数是一定的，所以直接在参数调节系统8内计算当前调节轴4旋转的圈数既可，而无需在圆柱体浮子17上安装检测装置检测浮子吃水深度。
所述的参数调节系统8的硬件具体包括信号采集模块、计算模块、信号输出模块和驱动模块。信号采集模块主要用来采集来自压力式液位传感器5传递来的数据和直流电动机12的旋转圈数。计算模块根据上面所述的式(1)、式(2)和式(3)对采集得到的数据进行实时的计算，在波浪的变化超出一定范围后，判断此时直流电动机12旋转方向，并计算出应该旋转的圈数。最后通过信号输出模块负责输出信号，驱动模块驱动直流电动机12进行旋转，完成对于圆柱体浮子17状态的调节。
所述的波浪能捕获系统主要依靠于置于海平面上的圆柱体浮子系统17，其主要由以下部分组成：水腔1、隔板2、气腔3、调节轴4、小孔14和浮子外壳16。隔板2和调节轴4是通过螺纹相连接。可以通过调节轴4的旋转直接对圆柱体浮子17的吃水深度进行控制。圆柱体浮子17内部由隔板2分为两个部分，上方为气腔3，下方为水腔1。圆柱体浮子17的上方和下方都设计有小孔14，可以允许海水和空气的慢速的流入和流出，从而方便对于圆柱体浮子17吃水深度的调节，但是又不影响圆柱体浮子17的整体受力情况。
所述的发电机系统指的是置于海洋固定平台6上的永磁直线发电机及其控制系统，它负责把圆柱体浮子17的垂荡运动直接转化为电能。产生的电能，除了供给负载之外，多余电能将反馈给蓄电池系统。永磁直线发电机动子10向下与圆柱体浮子17中间的调节轴4同轴直连，向上通过连接部件13与直流电动机12相接。调节轴4、永磁直线发电机动子10、直流电动机12的轴线在同一条直线上。永磁直线发电机与直流电动机12之间的连接部件13如图3所示，为两个锁在一起的矩形环扣，为圆柱体浮子17的垂直振荡留出了运动空间。系统正常运行工作的时候，不会妨碍圆柱体浮子17的运动。同时，当需要对圆柱体浮子17的吃水深度进行调节时，又可以直接通过直流电动机12的旋转完成，而无需中断系统的正常运行。
所述的太阳能蓄电池系统7主要由太阳能发电装置和蓄电池系统组成。主要负责为参数调节系统8和波浪状态检测系统的运行提供所需电能，包括直流电动机12对圆柱体浮子17进行调节所需的电能，还有压力式液位传感器5的日常运行所需的电能。