文摘

浮标系统代替微功率小设备在偏远地区。门户框架是非常有用的收获的能量波成可用能量。因此,使用当前的门户框架模式的文学和海浪谱可用的能源,占一个非线性数学模型的耦合非线性压电材料被认为是。分析选择变量的邻居,然后由一个过程优化利用粒子群优化(PSO)算法。此外,一个使用线性二次调节器的最优控制等方面)控制器应用于控制压电电路的负载电阻。优化过程和等方面是有效的。结果显示一个通用的增益优化和一个相对较小的增益控制器使用。

1。介绍

由于大范围区域的海洋在地球表面,近海能源已经非常有吸引力,使能源领域的科学家和工程师们的关注。这巨大的利益代表的权力,可以用作消费来源以不同的方式(1- - - - - -3]。这种能量是由海洋的水形成的机械波浪运动。根据(1,2),据估计,大约850太瓦时的发电与这个运动的转换。这样,几个设备与潮汐的振幅,比如那些提升的漂浮与海浪产生的风,与扭转系统的装置,和那些通过创建工作气压,从而发电(4]。

作者在5,6利用一个空气透平驱动通过振动位移的海浪发电,这样能量的形式存储在压缩空气。作者在7海洋波能转换通过摆动机构耦合线性发电机。在相同的一方面,作者在8)被认为是漫溢浮动结构波龙能量转换器。

因此,现在对能源消耗的高需求,新能源的需求增长在过去的几十年里,尤其是在偏远地区,使网站更具吸引力的来源的能量转换,以及低功耗设备,例如水下传感器。

太阳能电池板的使用是一种替代能源,已被用于提高近海能源收获(9]。然而,它有一个不连续的负载能力,面板不回收,需要经常清洗。

为了提高海上能源转换,作者在10]介绍了海浪能量收集系统占直流电(DC)发电机连接在中间的一个浮动的平台以及一个钟摆连接到发电机的轴。认为海洋波动震荡平台在垂直方向,诱导摆旋转。因此,电能是由于直流电源提供的发电机。优化收获力量,钟摆参数分析了利用PSO算法考虑到质量和摆的长度变化。此外,海洋波振幅和频率也考虑。数值结果显示一个高效的能量转换使用的直流电源。

压电材料加强海上能源也是另一种收获。一个浮动的平台通常是诱导振动由于海浪,使压电材料智能策略。

这些材料研究和使用所示(11]。这些作者探讨了压电材料对能源收集由于广泛的频率实用程序(包括高频);他们是低功率消耗,易于应用,成本很低。

在[12),一个基于一系列polygon-shaped悬臂压电能量收割机。作者采用多频工作原理八悬臂不规则设计的横截面积。小说v型振动能量收割机探索基于传统压电检测悬臂结构在13]。实验结果表明,v型能量收割机改善了频率响应特性和输出电能的性能。在[14),三种不同的能量收获发电机的设计:一个考虑到单稳态的压电悬臂梁结构和其他两个考虑双稳态压电悬臂梁结构。数值和实验分析被认为是发电和不同结构的动态行为。在[15,16),引入非线性压电耦合在门户框架占结构的横向运动。数值结果表明,能量收获可以受到压电模型的非线性参数的影响。

此外,向海的压电传感器的安装位置在现有沿海结构进行海浪发电(17]。作者用一波断路器的结构。实验结果显示,相关性的一代体积,波条件下被发现。

另一种形式的应用程序是利用压电材料作为致动器在灵活的元素来激活或防止变形量。在这种情况下,扭转效应是一个预期的效果,可以用遗传算法(GA),进一步提高位置和调整压电(18]。,依赖政府的黎卡提微分方程(SDRE)控制器用于驱动压电材料能源收获一个更有效的行为(19),泵振动能量系统来控制其运动。

在[9),采用模糊控制器和一个等控制器是用于确定板的运动。作者得出结论,这两种策略是有效的和鲁棒控制实验和更好的评估结构的性能。此外,细节的难度和复杂性使用压电致动器的结构进行了讨论。

在近海领域,浮标是在不断地运动,它是一个逻辑的解决方案收获这个振动的能量。由于功率输出,各种压电材料的组合进一步提高可靠性。压电材料是可靠的,不仅是用于收集能量。这种物质存在于增湿器、打印机和高性能柴油发动机,证明其适用性在几个字段和一个整合技术。

因此,这项工作提出了分析离岸能源获取的系统包含一个门户框架结构以及能量转换的压电材料。系统的数学模型。粒子群优化(PSO)被认为是优化系统的能源生产。此外,该等控制技术用于生产维持能量转换的峰值。系统的参量的分析进行数值模拟中占李雅普诺夫指数研究中,用于跟踪的动态行为结构最大化能量转换。

剩下的工作是组织在以下方式中。部分2描述问题的数学模型和结构。部分3介绍了PSO算法。部分4介绍了等最优控制。部分5显示的优化参数的数值模拟使用PSO的项目控制和动态分析。最后,部分6提出了本研究的结论。

2。浮标系统

浮标系统浮动设备附加到海底,本身可用于产生电能。大部分的浮标系统用于大型macroenergy一代。然而,在本例中,我们感兴趣的微功率收割。

在数据1(一)- - - - - -1 (c)一个简单的反射系统,门户框架结构与tuned-mass-damper (TMD)系统上,和系统的集中参数方案,分别为(20.,21]。注意,门户框架系统(数字1 (b)和1 (c))位于一个₁。

2.1。数学模型

门户框架的数学模型在图表示1 (c)群众之间是一个复杂的迭代米₁和米₂。模式表示为一个非线性动态模型建模通过牛顿第二定律,随着微分方程描述压电材料的电压取决于结构的挠度。给出了系统的运动方程 在哪里

非线性压电耦合定义如下: 在哪里和是常数。作为外部激励是由海浪,基地谐波形式的激励被认为是由[提供15,16,22] 在哪里海洋波的振幅和吗是主要的激励频率。因此,方程(2)和(3)替换成(1)和新的无量纲参数如下:

方程(1)和(3)可以表示为如下形式:

将方程(5状态空间表示法)结果

收获力量计算根据以下方程: 在哪里是时间的模拟。

3所示。粒子群优化

优化的能量收获进行了利用粒子群优化(PSO)。该算法模拟组织的行为。因此,每个粒子之间的通信提供了抚慰民众的生存。数学上,每个粒子使用3因素,是当地最好的(最适合每一组),全球最好的,每个粒子的惯性。这允许引入滞后在每个粒子,以避免高粒子的速度变化。作为一个迭代方法,可以计算系统的位移(23- - - - - -25] 在哪里是系统的惯性,是当前状态的粒子的速度,c₁自知之明,和是随机值,的方向是当地最好的,当前位置,c₂是一组知识,是该集团的方向最好的,然后呢是系统的迭代。

4所示。最优控制

控制器的线性二次常规控制器等)被选中,因为它是多输入多输出(MIMO)控制分配两极优化给定限制强加于美国和信号控制26]。第一步是编写控制系统状态空间表示法,在矩阵形式 在哪里状态向量,一个的状态矩阵是线性的,B是输入矩阵,u是控制信号矢量,是非线性状态矩阵。

控制u法律是由 在哪里 和代表所需的状态年代状态。

被对称矩阵的代数黎卡提微分方程,用

控制u是最优的,转移的非线性系统方程(7从任何初始状态到最终状态) 。成本最小化的功能,它的收益率 在哪里和正定矩阵。

5。数值模拟

数值模拟是由积分方程的系统(7)与四阶龙格-库塔方法。中占的参数数值模拟中所描述的表1。

通过这种方式,我们调查一些变量的影响从浮标系统能量收获与门户框架的振动结构。此外,这些参数的社区调查的行为和决定。

参数分析系统的动态行为和能量收获是由不同的特定系统的无量纲参数,如TMD的阻尼 ,海浪的振幅 ,TMD的线性刚度 ,门户框架结构的非线性刚度 。这些参数的选择,因为他们有直接和强烈影响的动态系统。预计TMD充当能源泵设备,被动地增加额外的振动系统。的参数α₂直接改变TMD的振幅,以及β₂。然而,β₂往往会改变系统的固有频率,也可以产生共鸣的门户框架运动,增加振动的振幅。然后,由于大变形,可以观察到非线性行为以及在低频率取决于混乱β₃。海上平台受到高振幅的振动引起的海浪的振幅(有关α₄海洋中),这取决于它的位置。

在最初的数值模拟,优化过程进行了会计的优化参数向量 限制函数的最小化成本J在10000 /P_1000年被感兴趣的一个区间的以下参数: 在哪里在1000年代是电源转换器。选择的范围是基于TMD的质量 ,影响和 ,非线性刚度为 ,和海浪的振幅数据来自美国国家海洋和大气管理局(27]。此外,数值模拟与优化参数进行描述和讨论。

5.1。动力学和收获能力分析

使用参数表1,分析了浮标系统的行为通过系统的最大李雅普诺夫指数,如图2(一个)和2 (c)。此外,同一地区的平均收获功率计算的参数,数据的描述2 (b)和2 (d)。

图2(一个)介绍了最大李雅普诺夫指数与波的振幅产生的基础上系统和TMD的阻尼系数。可以看出高阻尼,系统显示周期性行为(灰色区域λ<−0.005),除非海洋波振幅很小(蓝色区域0≤λ≤−0.005)。然而,当阻尼很小(α₂≤0.5),不规则运动闻名小和更高的激发态。区间内的值0≤λ≤−0.005代表一个区间之间的转换规则和不规则的动作,这可能代表了从周期、准周期的混乱。

图2 (b)描绘了收获力量为同一区间图的参数2(一个)。观察到的是收获力量被激发能,这就增加了收获权力从几乎为零P_马克斯> 500。还强调,尽管可能出现不规则的运动振幅高的运动,对于当前的浮标系统,这是小振幅数据中(绿色的钻石2(一个)和2 (b))。因此,收获力量很小,除了以低TMD系统阻尼和在高激发。

图2 (c))显示的最大李雅普诺夫指数的线性刚度TMD参数相关和非线性刚度的门户框架 。在这种情况下,相同的参数范围图2(一个),没有明显的不规则行为。然而,相关的图2 (c)其各自的收获图的力量2 (d),它是指出,收获力量增加随着增加的最大李雅普诺夫指数。虽然李雅普诺夫指数小于零,看来系统位移振幅的增加。收获力量的变化很小的时间间隔内获得权力0≤P_avg≤−0.005。

5.2。功率优化

建立了最重要的参数,得到的能量最高,使用PSO算法的优化过程进行了参数方程中描述的范围(14)。

图3(一个)显示最大的无量纲收获功率通过PSO算法获得的各种群大小。群的数量大小表明粒子数用于查找结果集。观察到收获最高权力是发现只使用群体大小为24,蓝色突出显示的酒吧。PSO算法的优化参数发现收获最高权力 , , ,和 。注意,这个结果是最好的使用更高的群体大小等。这表明收获最高权力是获得这些参数并没有发现其他可能的更高的价值在他们的社区。然而,在所有的差异获得收获力量几乎是无关紧要的。

图3 (b)显示了每个群的迭代次数大小。注意,需要更多的迭代优化的结果比其他的结果。然而,预计由于小粒子数的算法。

图4介绍了迭代次数最小化函数方程描述(14)。在算法优化过程中,所有的解决方案融合相同的值。这表明,这种情况下,集群的大小并不影响结果。集群规模较小的收敛,收敛的参数有一个满意的结果。

在这一方面,系统的动态行为和收获能力进行了分析和计算使用方程(8)在附近的优化参数,如图5。

图5(一个)显示的地图系统的最大李雅普诺夫指数的变化无量纲海浪的振幅α₄对TMD的阻尼系数α₂,占优化和 ,同样的间隔如图2。优化后,指出该系统成为周期几乎在整个地区的值(灰色区域λ<−0.005)。然而,当阻尼较高,系统可能会呈现准周期的行为和混沌行为。这是由蓝色和红色突出显示的区域图的插图(紫色的钻石)5(一个),最大李雅普诺夫指数计算λ= 0(准周期的或混乱)λ= 0.3(混乱)。插图的参数的区间是1.8≤α₂≤≤2.0,和0.001α₄≤0.005。,不稳定的行为只对高阻尼和低励磁发生。

图5 (b)描绘了收获力量为同一区间图的参数5(一个)。这是观察到的最大收获功率增加P_马克斯= 500P_马克斯= 2000,获得最大功率设置的参数在图中的蓝钻(α₂= 0.01,α₄= 1.5)。注意,最大收获功率相同的情况,在一个周期区域和激励振幅高,适用于优化参数。

图5 (c)显示的最大李雅普诺夫指数参数与TMD的线性刚度有关和非线性刚度的门户框架 ,会计的优化α₂和α₄。在这种情况下,相同的参数范围图2 (c)、不规则运动(蓝色区域0≤λ≤0.005−)发生的TMD的线性刚度低。看来,门户框架的非线性刚度系统的响应中越来越占主导地位。

此外,图5 (d)描述了同一地区的收获能力图5 (c)。显著增加收获力量的观察与图相比2 (d),从P_马克斯= 6.18P_马克斯= 333.8 和 。然而,在这种情况下,获得最大收获功率在一个不规则的运动,可能是准周期的或混乱。

重要的是强调,PSO算法发现上述参数的最大收获功率很低的计算任务。虽然它不占系统的行为的分析,它显示了一个社区研究需要很长时间使用其他直接优化参量的分析。

5.3。最优控制的结果

考虑到方程(7)的控制信号(u根据方程(),10),下面的矩阵一个和B得到:

注意从方程(15)矩阵一个是一个函数的 。考虑到特殊情况 ,矩阵一个获得的是

接下来,矩阵问和R定义如下:

替换的矩阵方程(16)和(17)方程(12),矢量增益控制律的方程(11)方法如下:

引入半活性的目的控制等方面的控制是提高能量收获。通过这种方式,提取最大的能量,所需的变量是设置为 ,而 。

实现控制信号作为执行机构,引入可变电阻器在电路压电系统被认为是,按照下列关系: 在哪里是获得 在哪里是一般的电阻,电路的电阻,是负载电阻,它可能是一个电池或充电电路,利用这种能量。

进一步提高能量收获,控制应用于参数通过算法。

图6显示了TMD位移时间的历史x₁(见图6(一)),门户框架位移x₃(见图6 (b))和电压x₅通过压电材料(见图6 (c)),占前的情况下优化,优化后的控制。这两种情况下的参数获得使用PSO和系统控制,电压的改进。同样重要的是要强调控制的位移降低x₁和x₃并增加电压的变化x₅,前面定义所需的状态 和 ,证明控制建议是非常有效的。

此外,当系统设置下优化参数,观察位移的增加x₁和x₃,这可能需要在许多情况下,增加能量收获。然而,它也可能妥协由于大型振动结构的完整性。

数据7(一)和7 (b)显示系统的频率响应和能量收获的三例不同无量纲励磁频率(α₅分别在共振)。有一个显著的区别的收获能量优化与控制系统没有和可行的,如图7 (b)。注意,能量收获增加随着频率的增加。由于参数激励,激励的振幅越高(α₄)、固有频率变化和硬化非线性行为而著称的立方非线性控制响应(参见图7(一)优化的参数)。当控制应用,收获权力是随着频率的增加增加。虽然不改变控制的运动结构,它改变压电电阻的电路,控制选择开动它,不同的价值ρ成正比,收获力量。

同样重要的是要强调,随着海浪的低频因仓储物的性质、结构的共振振荡。然而,对于一个低频率f= 1赫兹(α₅= 0.0979),优化值和控制仍然使系统收获大量的能量。

图8显示的变化ρ由于电阻R₂变化,根据该控制律(方程(18))。该控制策略演示了为应用程序在实际系统是可行的,这的增加ρ意味着该控制方程是一致的(19)。

6。结论

这项工作提出了一个模型,一个离岸海浪能量收获应用兴奋不已。

PSO的技术被用来分析和优化参数,最大化能源生产与不同条件下的压电材料。这项技术显示非常高效的优化与参数获得的能量收获 。此外,下面的结果集群的大小。

因此,我们分析系统的行为在附近的这些参数的最大李雅普诺夫指数,建立混沌行为的存在。然而,混乱是发现与低李雅普诺夫指数非常低的地区,如数字2和4。此外,混乱的行为被发现接近(见图的优化值4(c))。

半活性控制等方面应用的控制器被证明是非常有效的控制系统和增加能量收获。

数据可用性

内的所有数据和信息是可用的。可以要求额外的数据或信息从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

作者承认CNPq,斗篷,FAPESP,必须占州政府和足总。