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《浙江大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要：

為了使波浪發(fā)電系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速方便等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于液壓傳動(dòng)的振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置．該裝置通過(guò)浮子、波浪板與群組油缸技術(shù)獲取波浪能量；使用蓄能穩(wěn)壓的方法保證液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定；通過(guò)調(diào)節(jié)變量液壓馬達(dá)的排量達(dá)到發(fā)電機(jī)電量輸出穩(wěn)定．給出該發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用AMESim軟件對(duì)液壓發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過(guò)平臺(tái)實(shí)海況試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證．仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明，該發(fā)電系統(tǒng)不僅可以保證液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，還可以達(dá)到發(fā)電機(jī)輸出功率穩(wěn)定，驗(yàn)證了采用液壓傳動(dòng)方法的振蕩浮子式波浪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性．

關(guān)鍵詞：

液壓傳動(dòng)；浮子；波浪能發(fā)電；AMESim；試驗(yàn)

隨著社會(huì)的發(fā)展，石油危機(jī)、大氣污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，各國(guó)開始高度重視開發(fā)無(wú)污染、可再生的海洋新能源［1］．據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織出版的《海洋能開發(fā)》一文中統(tǒng)計(jì)，全球可開發(fā)的海洋能資源大約為7．7366×1015W［2］，這些海洋能通常以波浪能、潮流能、溫差能等形式存在于廣闊的海洋之中［3］，其中，海洋波浪能的可開發(fā)量可以達(dá)到3×1012W［4－6］．國(guó)際能源組織（IAE）1994年公布的報(bào)告預(yù)測(cè)：波浪能如果充分開發(fā)，最終可提供目前全球電力需要的10％左右［7］．作為一種可再生的清潔能源，波浪能不僅分布廣、儲(chǔ)量大，同時(shí)具有較大的能流密度，只需要通過(guò)較小的裝置就能提供可觀的廉價(jià)能源（主要以電能為主）［8］．波浪能的開發(fā)也可以為邊遠(yuǎn)海域的國(guó)防、海洋開發(fā)、農(nóng)業(yè)用電等活動(dòng)提供幫助，有利于人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展［9］．近幾十年來(lái)，波浪能發(fā)電技術(shù)取得了快速發(fā)展，各種形式的波浪能發(fā)電裝置層出不窮［10－13］．振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置最早由一位日本研究者設(shè)計(jì)制造，利用浮子在波浪作用下的上下振蕩，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電［14］．與風(fēng)力發(fā)電和潮流能發(fā)電相似，目前國(guó)內(nèi)外研究的振蕩浮子式波浪能發(fā)電系統(tǒng)大多采用機(jī)械傳動(dòng)，少量采用液壓傳動(dòng)［15］．在采用機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)組中，普遍存在齒輪箱故障率高、水下維修不方便、傳動(dòng)不穩(wěn)、調(diào)速不變等問(wèn)題［16］，這些不足直接制約了波浪能設(shè)備的發(fā)展．但是，液壓動(dòng)力傳動(dòng)卻具有傳動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速方便、功率體積比大等優(yōu)良特性［17－18］，比較適合波浪能裝備，因此，越來(lái)越多的學(xué)者開始研究與設(shè)計(jì)基于液壓傳動(dòng)的振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置．鑒此，浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院獨(dú)立自主研制了基于液壓傳動(dòng)的自升式振蕩浮子式波浪發(fā)電平臺(tái)———“海院1號(hào)”，并基于此平臺(tái)建立AMESim液壓發(fā)電仿真系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)海況實(shí)驗(yàn)，對(duì)整個(gè)液壓發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的可行性，為波浪發(fā)電裝置液壓發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考．

1波浪發(fā)電系統(tǒng)組成及工作原理

1．1發(fā)電系統(tǒng)組成“海院1號(hào)”波浪發(fā)電平臺(tái)是自升式波浪發(fā)電平臺(tái)，通過(guò)振蕩浮子的形式捕獲波浪能，平臺(tái)如圖1所示．平臺(tái)采用3根樁腿支撐，單根樁腿的發(fā)電系統(tǒng)由浮子（如圖2所示）、波浪板（如圖3所示）、液壓發(fā)電系統(tǒng)、永磁同步發(fā)電機(jī)、負(fù)載和控制模塊組成．其中浮子結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單的分為2部分，上半部分是一個(gè)直徑為3200mm，高度為625mm的圓柱體，下半部分是一個(gè)類似于半球的曲面，高度為835mm．液壓發(fā)電系統(tǒng)主要由液壓缸、單向閥、蓄能器、溢流閥、流量傳感器、二位二通閥、壓力表、油缸、定量液壓馬達(dá)、變量液壓發(fā)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)組成，如圖4所示．“海院1號(hào)”波浪發(fā)電平臺(tái)每根樁腿的兩側(cè)各有一塊波浪板，波浪板都與浮子相連，每塊波浪板都與4個(gè)液壓缸相互作用．單根樁腿上的8個(gè)油缸組成一個(gè)群組油缸．由于平臺(tái)的3根樁腿的發(fā)電系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，并且相互對(duì)稱，因此，文中主要研究單根樁腿的發(fā)電系統(tǒng)．

1．2工作原理“海院1號(hào)”波浪能發(fā)電平臺(tái)發(fā)電系統(tǒng)利用浮子在波浪中振蕩捕獲波浪能，通過(guò)與浮子相互連接的波浪板將波浪能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并作用在液壓缸上，液壓缸通過(guò)液壓回路以液壓能的形式傳遞至液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，并使負(fù)載工作．當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由浮子捕獲波浪能，使得波浪板與浮子一起上下振蕩．通過(guò)2塊波浪板上的齒頂推動(dòng)每根樁腿上橫向排列的8個(gè)液壓缸，群組油缸排油，壓力油經(jīng)過(guò)單向閥進(jìn)入主油路，與此同時(shí)，波浪板齒根處通過(guò)油缸內(nèi)置彈簧推動(dòng)活塞反向運(yùn)動(dòng)將油箱中的液壓油通過(guò)單向閥吸入到液壓缸中．采用這種設(shè)計(jì)，當(dāng)浮子在波浪作用下向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)可以獲取波浪的能量，而當(dāng)浮子由于重力作用向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，波浪板同樣可以推動(dòng)液壓缸工作，獲取能量，因此，采用波浪板與群組油缸技術(shù)可以較好的獲取能量．該液壓系統(tǒng)擁有一個(gè)蓄能器，具有能量?jī)?chǔ)存功能，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定．在波浪較大時(shí)，將油路中多余的液壓能量進(jìn)行儲(chǔ)存，保證系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定；在波浪較小時(shí)，釋放存儲(chǔ)的能量，補(bǔ)充系統(tǒng)能量，使其達(dá)到穩(wěn)定．主油路不穩(wěn)定的液壓油可以通過(guò)蓄能器的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)化為比較穩(wěn)定的液壓油；較穩(wěn)定的液壓油帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)．當(dāng)系統(tǒng)流量較大時(shí)，通過(guò)反饋信號(hào)控制使二位二通閥打開，2個(gè)液壓馬達(dá)同時(shí)工作，并通過(guò)調(diào)節(jié)變量馬達(dá)排量控制永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電壓穩(wěn)定；當(dāng)系統(tǒng)流量較小時(shí)，通過(guò)反饋信號(hào)控制二位二通閥關(guān)閉，液壓油只驅(qū)動(dòng)定量液壓馬達(dá)工作，液壓馬達(dá)帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電得到較穩(wěn)定的電能．系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力，并通過(guò)溢流閥來(lái)控制系統(tǒng)壓力．本波浪能發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)采用帶蓄能器的液壓傳動(dòng)方式傳遞所捕獲的波浪能，可以平緩不穩(wěn)定的波浪能，使系統(tǒng)內(nèi)壓力穩(wěn)定．采用智能系統(tǒng)模塊監(jiān)視流速、永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以及液壓回路內(nèi)部壓力；通過(guò)調(diào)節(jié)變量馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，從而可以獲得輸出頻率恒定的交流電．采用負(fù)載自動(dòng)控制技術(shù)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓．平臺(tái)負(fù)載包括6組400W燈泡和2組800W燈泡．其中，每組燈泡都有4只，通過(guò)控制程序可以達(dá)到根據(jù)發(fā)電量的大小自動(dòng)在8組燈泡中切換的效果，負(fù)載原理圖如圖5所示。

2數(shù)學(xué)模型

浮子在波浪的作用下，主要進(jìn)行垂蕩運(yùn)動(dòng)，水平運(yùn)動(dòng)可以忽落不計(jì)．根據(jù)牛頓第二定律，浮子在波浪上的垂蕩運(yùn)動(dòng)滿足如下一般方程。

3液壓仿真與結(jié)果分析

3．1仿真模型建立采用系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件AMESim進(jìn)行液壓系統(tǒng)的仿真分析．首先在AMESim環(huán)境中，啟動(dòng)Sketch模式，利用系統(tǒng)提供的液壓庫(kù)，信號(hào)控制庫(kù)，機(jī)械庫(kù)進(jìn)行液壓系統(tǒng)的建模，建模過(guò)程中可以忽略系統(tǒng)管道的影響［19］，仿真模型如圖6所示：在液壓發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模完成后進(jìn)入Sub－model模式，為系統(tǒng)中每個(gè)元件分配數(shù)學(xué)模型．如果在第1個(gè)草圖模式中建模錯(cuò)誤，或者不能完成一個(gè)完整的液壓循環(huán)，則不能進(jìn)入Submodel模式［20］．?dāng)?shù)學(xué)模型的選擇是仿真計(jì)算的重要步驟，如果選擇錯(cuò)誤，將影響到仿真結(jié)果．在本次仿真中，可以利用Premiermode為元件選擇最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型．接下來(lái)進(jìn)入Parameter模式，對(duì)元件進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置．參數(shù)的設(shè)置十分關(guān)鍵，它也將直接影響到仿真結(jié)果的好壞．根據(jù)“海院1號(hào)”液壓系統(tǒng)各個(gè)元件的型號(hào)，選取參數(shù)如表1所示．

3．2仿真結(jié)果分析系統(tǒng)壓力如圖7所示，從圖中可以看到，采用蓄能器的液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力p1在一開始有一個(gè)上升過(guò)程，之后始終穩(wěn)定在1．65MPa左右．采用蓄能穩(wěn)壓的方法可以很好地保證液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定．流量傳感器a的流量qV如圖8所示，從圖中可以看到，流量值存在一定的波動(dòng)，但總體上可以穩(wěn)定在44L／min左右．造成這種現(xiàn)象的主要原因與波浪發(fā)電平臺(tái)液壓系統(tǒng)蓄能器的選取和設(shè)置有直接關(guān)系，導(dǎo)致蓄能穩(wěn)壓不能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，也進(jìn)一步說(shuō)明了蓄能器的重要性．系統(tǒng)在這一流量值下，達(dá)到了流量傳感器a的預(yù)設(shè)值，反饋系統(tǒng)控制二位二通閥開啟，變量液壓馬達(dá)開始工作．如圖9所示為變量液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下的永磁同步發(fā)電機(jī)b的轉(zhuǎn)速和扭矩．通過(guò)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量，控制永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在30r／min左右，扭矩值在24N•m左右，數(shù)值基本保持平衡，保證了電量輸出恒定．從而驗(yàn)證了該液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性.

4實(shí)海況測(cè)試驗(yàn)證

在浙江省舟山市普陀區(qū)朱家尖鎮(zhèn)東沙海域，“海院1號(hào)”波浪發(fā)電平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)海況測(cè)試．經(jīng)過(guò)波浪測(cè)量，可以得到測(cè)試海域波浪的最大波高為2．5m，有效波高為1．2m，平均周期6．0s．在測(cè)試中，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在平臺(tái)正常工作時(shí)分別對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力p1、流量qV、電壓u、電流i進(jìn)行檢測(cè)，如圖10～12所示．圖10表示液壓系統(tǒng)中處于溢流閥與流量傳感器之間采樣點(diǎn)處壓力和流量的測(cè)試曲線，從圖中可看出，壓力始終穩(wěn)定在2．1MPa左右，而流量在一開始有一些波動(dòng)，但最終也穩(wěn)定在18L／min左右．壓力、流量曲線圖很好地驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性．圖11和圖12分別表示電壓u測(cè)量曲線和電流i測(cè)量曲線．電壓和電流都有一些小的波動(dòng)，但它們整體上穩(wěn)定在210V和5．5A左右，充分證明通過(guò)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量可以保證發(fā)電機(jī)電量輸出穩(wěn)定．由于實(shí)海況條件與仿真波浪條件具有一定的差異，造成仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上存在一定的差異．但圖10所示液壓系統(tǒng)的壓力和流量在平臺(tái)正常工作時(shí)都能保持平穩(wěn)，與仿真結(jié)果一致．證明了仿真結(jié)果符合實(shí)際，該液壓發(fā)電系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)合理可靠．

5結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于液壓傳動(dòng)的振蕩浮子式波浪能發(fā)電系統(tǒng)的組成和工作原理．通過(guò)AMESim仿真和平臺(tái)實(shí)海況試驗(yàn)表明，采用液壓傳動(dòng)的振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，可以利用蓄能穩(wěn)壓的方法保證液壓系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，并通過(guò)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量保證發(fā)電機(jī)電量輸出較為穩(wěn)定．綜上所述，該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)合理可行．隨著海洋社會(huì)的不斷臨近，波浪能作為一種無(wú)污染、可再生的綠色能源將會(huì)有很好的發(fā)展前景．基于液壓傳動(dòng)的振蕩浮子式波浪發(fā)電平臺(tái)———“海院1號(hào)”的成功研制，可以在一定程度上促進(jìn)波浪能開發(fā)技術(shù)的研究與發(fā)展．文章通過(guò)對(duì)“海院1號(hào)”波浪發(fā)電平臺(tái)的實(shí)海況測(cè)試研究和仿真研究，可以為振蕩浮子式波浪發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供幫助，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值．在下一步的工作中，課題組將繼續(xù)進(jìn)行浮子水動(dòng)力特性研究和機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率研究，進(jìn)一步提高波浪能發(fā)電裝置的應(yīng)用價(jià)值．

作者：呂沁 李德堂 唐文濤 曹偉男 金豁然 胡星辰 單位：浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室