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《浙江大學學報》2016年第一期

摘要：

為了使波浪發電系統具有傳動平穩、調速方便等優點，設計基于液壓傳動的振蕩浮子式波浪能發電裝置．該裝置通過浮子、波浪板與群組油缸技術獲取波浪能量；使用蓄能穩壓的方法保證液壓系統壓力穩定；通過調節變量液壓馬達的排量達到發電機電量輸出穩定．給出該發電系統的數學模型，應用AMESim軟件對液壓發電系統進行仿真，通過平臺實海況試驗進行驗證．仿真結果和試驗結果表明，該發電系統不僅可以保證液壓系統壓力穩定，還可以達到發電機輸出功率穩定，驗證了采用液壓傳動方法的振蕩浮子式波浪發電系統設計的合理性．

關鍵詞：

液壓傳動；浮子；波浪能發電；AMESim；試驗

隨著社會的發展，石油危機、大氣污染等問題日益嚴重，各國開始高度重視開發無污染、可再生的海洋新能源［1］．據聯合國教科文組織出版的《海洋能開發》一文中統計，全球可開發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量可以達到3×1012W［4－6］．國際能源組織（IAE）1994年公布的報告預測：波浪能如果充分開發，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、儲量大，同時具有較大的能流密度，只需要通過較小的裝置就能提供可觀的廉價能源（主要以電能為主）［8］．波浪能的開發也可以為邊遠海域的國防、海洋開發、農業用電等活動提供幫助，有利于人類社會的可持續發展［9］．近幾十年來，波浪能發電技術取得了快速發展，各種形式的波浪能發電裝置層出不窮［10－13］．振蕩浮子式波浪能發電裝置最早由一位日本研究者設計制造，利用浮子在波浪作用下的上下振蕩，通過機械傳動系統帶動發電機發電［14］．與風力發電和潮流能發電相似，目前國內外研究的振蕩浮子式波浪能發電系統大多采用機械傳動，少量采用液壓傳動［15］．在采用機械傳動的機組中，普遍存在齒輪箱故障率高、水下維修不方便、傳動不穩、調速不變等問題［16］，這些不足直接制約了波浪能設備的發展．但是，液壓動力傳動卻具有傳動平穩、調速方便、功率體積比大等優良特性［17－18］，比較適合波浪能裝備，因此，越來越多的學者開始研究與設計基于液壓傳動的振蕩浮子式波浪發電裝置．鑒此，浙江海洋學院船舶與海洋工程學院獨立自主研制了基于液壓傳動的自升式振蕩浮子式波浪發電平臺———“海院1號”，并基于此平臺建立AMESim液壓發電仿真系統，通過實海況實驗，對整個液壓發電系統進行研究，驗證了該系統在設計上的可行性，為波浪發電裝置液壓發電系統的優化提供了理論依據和實驗參考．

1波浪發電系統組成及工作原理

1．1發電系統組成“海院1號”波浪發電平臺是自升式波浪發電平臺，通過振蕩浮子的形式捕獲波浪能，平臺如圖1所示．平臺采用3根樁腿支撐，單根樁腿的發電系統由浮子（如圖2所示）、波浪板（如圖3所示）、液壓發電系統、永磁同步發電機、負載和控制模塊組成．其中浮子結構可以簡單的分為2部分，上半部分是一個直徑為3200mm，高度為625mm的圓柱體，下半部分是一個類似于半球的曲面，高度為835mm．液壓發電系統主要由液壓缸、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、變量液壓發電機、永磁同步發電機組成，如圖4所示．“海院1號”波浪發電平臺每根樁腿的兩側各有一塊波浪板，波浪板都與浮子相連，每塊波浪板都與4個液壓缸相互作用．單根樁腿上的8個油缸組成一個群組油缸．由于平臺的3根樁腿的發電系統可以獨立運行，并且相互對稱，因此，文中主要研究單根樁腿的發電系統．

1．2工作原理“海院1號”波浪能發電平臺發電系統利用浮子在波浪中振蕩捕獲波浪能，通過與浮子相互連接的波浪板將波浪能轉化成機械能，并作用在液壓缸上，液壓缸通過液壓回路以液壓能的形式傳遞至液壓馬達，液壓馬達帶動永磁同步發電機發電，并使負載工作．當系統運行時，由浮子捕獲波浪能，使得波浪板與浮子一起上下振蕩．通過2塊波浪板上的齒頂推動每根樁腿上橫向排列的8個液壓缸，群組油缸排油，壓力油經過單向閥進入主油路，與此同時，波浪板齒根處通過油缸內置彈簧推動活塞反向運動將油箱中的液壓油通過單向閥吸入到液壓缸中．采用這種設計，當浮子在波浪作用下向上運動時，液壓系統可以獲取波浪的能量，而當浮子由于重力作用向下運動時，波浪板同樣可以推動液壓缸工作，獲取能量，因此，采用波浪板與群組油缸技術可以較好的獲取能量．該液壓系統擁有一個蓄能器，具有能量儲存功能，使系統壓力穩定．在波浪較大時，將油路中多余的液壓能量進行儲存，保證系統的壓力穩定；在波浪較小時，釋放存儲的能量，補充系統能量，使其達到穩定．主油路不穩定的液壓油可以通過蓄能器的調節，轉化為比較穩定的液壓油；較穩定的液壓油帶動液壓馬達轉動．當系統流量較大時，通過反饋信號控制使二位二通閥打開，2個液壓馬達同時工作，并通過調節變量馬達排量控制永磁同步發電機轉速，使電壓穩定；當系統流量較小時，通過反饋信號控制二位二通閥關閉，液壓油只驅動定量液壓馬達工作，液壓馬達帶動永磁同步發電機發電得到較穩定的電能．系統通過壓力傳感器來監測系統的壓力，并通過溢流閥來控制系統壓力．本波浪能發電系統的機械系統采用帶蓄能器的液壓傳動方式傳遞所捕獲的波浪能，可以平緩不穩定的波浪能，使系統內壓力穩定．采用智能系統模塊監視流速、永磁同步發電機轉速，以及液壓回路內部壓力；通過調節變量馬達排量實現發電機轉速恒定，從而可以獲得輸出頻率恒定的交流電．采用負載自動控制技術調節發電機輸出電壓．平臺負載包括6組400W燈泡和2組800W燈泡．其中，每組燈泡都有4只，通過控制程序可以達到根據發電量的大小自動在8組燈泡中切換的效果，負載原理圖如圖5所示。

2數學模型

浮子在波浪的作用下，主要進行垂蕩運動，水平運動可以忽落不計．根據牛頓第二定律，浮子在波浪上的垂蕩運動滿足如下一般方程。

3液壓仿真與結果分析

3．1仿真模型建立采用系統協同仿真軟件AMESim進行液壓系統的仿真分析．首先在AMESim環境中，啟動Sketch模式，利用系統提供的液壓庫，信號控制庫，機械庫進行液壓系統的建模，建模過程中可以忽略系統管道的影響［19］，仿真模型如圖6所示：在液壓發電系統的仿真建模完成后進入Sub－model模式，為系統中每個元件分配數學模型．如果在第1個草圖模式中建模錯誤，或者不能完成一個完整的液壓循環，則不能進入Submodel模式［20］．數學模型的選擇是仿真計算的重要步驟，如果選擇錯誤，將影響到仿真結果．在本次仿真中，可以利用Premiermode為元件選擇最簡單的數學模型．接下來進入Parameter模式，對元件進行參數的設置．參數的設置十分關鍵，它也將直接影響到仿真結果的好壞．根據“海院1號”液壓系統各個元件的型號，選取參數如表1所示．

3．2仿真結果分析系統壓力如圖7所示，從圖中可以看到，采用蓄能器的液壓系統的系統壓力p1在一開始有一個上升過程，之后始終穩定在1．65MPa左右．采用蓄能穩壓的方法可以很好地保證液壓系統壓力穩定．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，但總體上可以穩定在44L／min左右．造成這種現象的主要原因與波浪發電平臺液壓系統蓄能器的選取和設置有直接關系，導致蓄能穩壓不能達到最優狀態，也進一步說明了蓄能器的重要性．系統在這一流量值下，達到了流量傳感器a的預設值，反饋系統控制二位二通閥開啟，變量液壓馬達開始工作．如圖9所示為變量液壓馬達驅動下的永磁同步發電機b的轉速和扭矩．通過調節液壓馬達的排量，控制永磁同步發電機的轉速在30r／min左右，扭矩值在24N•m左右，數值基本保持平衡，保證了電量輸出恒定．從而驗證了該液壓系統設計的合理性.

4實海況測試驗證

在浙江省舟山市普陀區朱家尖鎮東沙海域，“海院1號”波浪發電平臺進行了實海況測試．經過波浪測量，可以得到測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．在測試中，設計了基于LabVIEW軟件的數據采集系統，在平臺正常工作時分別對液壓系統的壓力p1、流量qV、電壓u、電流i進行檢測，如圖10～12所示．圖10表示液壓系統中處于溢流閥與流量傳感器之間采樣點處壓力和流量的測試曲線，從圖中可看出，壓力始終穩定在2．1MPa左右，而流量在一開始有一些波動，但最終也穩定在18L／min左右．壓力、流量曲線圖很好地驗證了液壓系統的穩定性．圖11和圖12分別表示電壓u測量曲線和電流i測量曲線．電壓和電流都有一些小的波動，但它們整體上穩定在210V和5．5A左右，充分證明通過調節液壓馬達的排量可以保證發電機電量輸出穩定．由于實海況條件與仿真波浪條件具有一定的差異，造成仿真結果與試驗結果在數值上存在一定的差異．但圖10所示液壓系統的壓力和流量在平臺正常工作時都能保持平穩，與仿真結果一致．證明了仿真結果符合實際，該液壓發電系統具有很好的穩定性，設計合理可靠．

5結語

本文介紹了基于液壓傳動的振蕩浮子式波浪能發電系統的組成和工作原理．通過AMESim仿真和平臺實海況試驗表明，采用液壓傳動的振蕩浮子式波浪能發電裝置，可以利用蓄能穩壓的方法保證液壓系統的壓力穩定，并通過調節液壓馬達的排量保證發電機電量輸出較為穩定．綜上所述，該系統具有較好的穩定性，設計合理可行．隨著海洋社會的不斷臨近，波浪能作為一種無污染、可再生的綠色能源將會有很好的發展前景．基于液壓傳動的振蕩浮子式波浪發電平臺———“海院1號”的成功研制，可以在一定程度上促進波浪能開發技術的研究與發展．文章通過對“海院1號”波浪發電平臺的實海況測試研究和仿真研究，可以為振蕩浮子式波浪發電技術的發展提供幫助，具有很高的工程應用價值．在下一步的工作中，課題組將繼續進行浮子水動力特性研究和機組能量轉換效率研究，進一步提高波浪能發電裝置的應用價值．

作者：呂沁 李德堂 唐文濤 曹偉男 金豁然 胡星辰 單位：浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院 浙江省近海海洋工程技術重點實驗室