振荡浮子式波浪发电系统设计范文

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《浙江大学学报》2016年第一期

摘要：

为了使波浪发电系统具有传动平稳、调速方便等优点，设计基于液压传动的振荡浮子式波浪能发电装置．该装置通过浮子、波浪板与群组油缸技术获取波浪能量；使用蓄能稳压的方法保证液压系统压力稳定；通过调节变量液压马达的排量达到发电机电量输出稳定．给出该发电系统的数学模型，应用AMESim软件对液压发电系统进行仿真，通过平台实海况试验进行验证．仿真结果和试验结果表明，该发电系统不仅可以保证液压系统压力稳定，还可以达到发电机输出功率稳定，验证了采用液压传动方法的振荡浮子式波浪发电系统设计的合理性．

关键词：

液压传动；浮子；波浪能发电；AMESim；试验

随着社会的发展，石油危机、大气污染等问题日益严重，各国开始高度重视开发无污染、可再生的海洋新能源［1］．据联合国教科文组织出版的《海洋能开发》一文中统计，全球可开发的海洋能资源大约为7．7366×1015W［2］，这些海洋能通常以波浪能、潮流能、温差能等形式存在于广阔的海洋之中［3］，其中，海洋波浪能的可开发量可以达到3×1012W［4－6］．国际能源组织（IAE）1994年公布的报告预测：波浪能如果充分开发，最终可提供目前全球电力需要的10％左右［7］．作为一种可再生的清洁能源，波浪能不仅分布广、储量大，同时具有较大的能流密度，只需要通过较小的装置就能提供可观的廉价能源（主要以电能为主）［8］．波浪能的开发也可以为边远海域的国防、海洋开发、农业用电等活动提供帮助，有利于人类社会的可持续发展［9］．近几十年来，波浪能发电技术取得了快速发展，各种形式的波浪能发电装置层出不穷［10－13］．振荡浮子式波浪能发电装置最早由一位日本研究者设计制造，利用浮子在波浪作用下的上下振荡，通过机械传动系统带动发电机发电［14］．与风力发电和潮流能发电相似，目前国内外研究的振荡浮子式波浪能发电系统大多采用机械传动，少量采用液压传动［15］．在采用机械传动的机组中，普遍存在齿轮箱故障率高、水下维修不方便、传动不稳、调速不变等问题［16］，这些不足直接制约了波浪能设备的发展．但是，液压动力传动却具有传动平稳、调速方便、功率体积比大等优良特性［17－18］，比较适合波浪能装备，因此，越来越多的学者开始研究与设计基于液压传动的振荡浮子式波浪发电装置．鉴此，浙江海洋学院船舶与海洋工程学院独立自主研制了基于液压传动的自升式振荡浮子式波浪发电平台———“海院1号”，并基于此平台建立AMESim液压发电仿真系统，通过实海况实验，对整个液压发电系统进行研究，验证了该系统在设计上的可行性，为波浪发电装置液压发电系统的优化提供了理论依据和实验参考．

1波浪发电系统组成及工作原理

1．1发电系统组成“海院1号”波浪发电平台是自升式波浪发电平台，通过振荡浮子的形式捕获波浪能，平台如图1所示．平台采用3根桩腿支撑，单根桩腿的发电系统由浮子（如图2所示）、波浪板（如图3所示）、液压发电系统、永磁同步发电机、负载和控制模块组成．其中浮子结构可以简单的分为2部分，上半部分是一个直径为3200mm，高度为625mm的圆柱体，下半部分是一个类似于半球的曲面，高度为835mm．液压发电系统主要由液压缸、单向阀、蓄能器、溢流阀、流量传感器、二位二通阀、压力表、油缸、定量液压马达、变量液压发电机、永磁同步发电机组成，如图4所示．“海院1号”波浪发电平台每根桩腿的两侧各有一块波浪板，波浪板都与浮子相连，每块波浪板都与4个液压缸相互作用．单根桩腿上的8个油缸组成一个群组油缸．由于平台的3根桩腿的发电系统可以独立运行，并且相互对称，因此，文中主要研究单根桩腿的发电系统．

1．2工作原理“海院1号”波浪能发电平台发电系统利用浮子在波浪中振荡捕获波浪能，通过与浮子相互连接的波浪板将波浪能转化成机械能，并作用在液压缸上，液压缸通过液压回路以液压能的形式传递至液压马达，液压马达带动永磁同步发电机发电，并使负载工作．当系统运行时，由浮子捕获波浪能，使得波浪板与浮子一起上下振荡．通过2块波浪板上的齿顶推动每根桩腿上横向排列的8个液压缸，群组油缸排油，压力油经过单向阀进入主油路，与此同时，波浪板齿根处通过油缸内置弹簧推动活塞反向运动将油箱中的液压油通过单向阀吸入到液压缸中．采用这种设计，当浮子在波浪作用下向上运动时，液压系统可以获取波浪的能量，而当浮子由于重力作用向下运动时，波浪板同样可以推动液压缸工作，获取能量，因此，采用波浪板与群组油缸技术可以较好的获取能量．该液压系统拥有一个蓄能器，具有能量储存功能，使系统压力稳定．在波浪较大时，将油路中多余的液压能量进行储存，保证系统的压力稳定；在波浪较小时，释放存储的能量，补充系统能量，使其达到稳定．主油路不稳定的液压油可以通过蓄能器的调节，转化为比较稳定的液压油；较稳定的液压油带动液压马达转动．当系统流量较大时，通过反馈信号控制使二位二通阀打开，2个液压马达同时工作，并通过调节变量马达排量控制永磁同步发电机转速，使电压稳定；当系统流量较小时，通过反馈信号控制二位二通阀关闭，液压油只驱动定量液压马达工作，液压马达带动永磁同步发电机发电得到较稳定的电能．系统通过压力传感器来监测系统的压力，并通过溢流阀来控制系统压力．本波浪能发电系统的机械系统采用带蓄能器的液压传动方式传递所捕获的波浪能，可以平缓不稳定的波浪能，使系统内压力稳定．采用智能系统模块监视流速、永磁同步发电机转速，以及液压回路内部压力；通过调节变量马达排量实现发电机转速恒定，从而可以获得输出频率恒定的交流电．采用负载自动控制技术调节发电机输出电压．平台负载包括6组400W灯泡和2组800W灯泡．其中，每组灯泡都有4只，通过控制程序可以达到根据发电量的大小自动在8组灯泡中切换的效果，负载原理图如图5所示。

2数学模型

浮子在波浪的作用下，主要进行垂荡运动，水平运动可以忽落不计．根据牛顿第二定律，浮子在波浪上的垂荡运动满足如下一般方程。

3液压仿真与结果分析

3．1仿真模型建立采用系统协同仿真软件AMESim进行液压系统的仿真分析．首先在AMESim环境中，启动Sketch模式，利用系统提供的液压库，信号控制库，机械库进行液压系统的建模，建模过程中可以忽略系统管道的影响［19］，仿真模型如图6所示：在液压发电系统的仿真建模完成后进入Sub－model模式，为系统中每个元件分配数学模型．如果在第1个草图模式中建模错误，或者不能完成一个完整的液压循环，则不能进入Submodel模式［20］．数学模型的选择是仿真计算的重要步骤，如果选择错误，将影响到仿真结果．在本次仿真中，可以利用Premiermode为元件选择最简单的数学模型．接下来进入Parameter模式，对元件进行参数的设置．参数的设置十分关键，它也将直接影响到仿真结果的好坏．根据“海院1号”液压系统各个元件的型号，选取参数如表1所示．

3．2仿真结果分析系统压力如图7所示，从图中可以看到，采用蓄能器的液压系统的系统压力p1在一开始有一个上升过程，之后始终稳定在1．65MPa左右．采用蓄能稳压的方法可以很好地保证液压系统压力稳定．流量传感器a的流量qV如图8所示，从图中可以看到，流量值存在一定的波动，但总体上可以稳定在44L／min左右．造成这种现象的主要原因与波浪发电平台液压系统蓄能器的选取和设置有直接关系，导致蓄能稳压不能达到最优状态，也进一步说明了蓄能器的重要性．系统在这一流量值下，达到了流量传感器a的预设值，反馈系统控制二位二通阀开启，变量液压马达开始工作．如图9所示为变量液压马达驱动下的永磁同步发电机b的转速和扭矩．通过调节液压马达的排量，控制永磁同步发电机的转速在30r／min左右，扭矩值在24N•m左右，数值基本保持平衡，保证了电量输出恒定．从而验证了该液压系统设计的合理性.

4实海况测试验证

在浙江省舟山市普陀区朱家尖镇东沙海域，“海院1号”波浪发电平台进行了实海况测试．经过波浪测量，可以得到测试海域波浪的最大波高为2．5m，有效波高为1．2m，平均周期6．0s．在测试中，设计了基于LabVIEW软件的数据采集系统，在平台正常工作时分别对液压系统的压力p1、流量qV、电压u、电流i进行检测，如图10～12所示．图10表示液压系统中处于溢流阀与流量传感器之间采样点处压力和流量的测试曲线，从图中可看出，压力始终稳定在2．1MPa左右，而流量在一开始有一些波动，但最终也稳定在18L／min左右．压力、流量曲线图很好地验证了液压系统的稳定性．图11和图12分别表示电压u测量曲线和电流i测量曲线．电压和电流都有一些小的波动，但它们整体上稳定在210V和5．5A左右，充分证明通过调节液压马达的排量可以保证发电机电量输出稳定．由于实海况条件与仿真波浪条件具有一定的差异，造成仿真结果与试验结果在数值上存在一定的差异．但图10所示液压系统的压力和流量在平台正常工作时都能保持平稳，与仿真结果一致．证明了仿真结果符合实际，该液压发电系统具有很好的稳定性，设计合理可靠．

5结语

本文介绍了基于液压传动的振荡浮子式波浪能发电系统的组成和工作原理．通过AMESim仿真和平台实海况试验表明，采用液压传动的振荡浮子式波浪能发电装置，可以利用蓄能稳压的方法保证液压系统的压力稳定，并通过调节液压马达的排量保证发电机电量输出较为稳定．综上所述，该系统具有较好的稳定性，设计合理可行．随着海洋社会的不断临近，波浪能作为一种无污染、可再生的绿色能源将会有很好的发展前景．基于液压传动的振荡浮子式波浪发电平台———“海院1号”的成功研制，可以在一定程度上促进波浪能开发技术的研究与发展．文章通过对“海院1号”波浪发电平台的实海况测试研究和仿真研究，可以为振荡浮子式波浪发电技术的发展提供帮助，具有很高的工程应用价值．在下一步的工作中，课题组将继续进行浮子水动力特性研究和机组能量转换效率研究，进一步提高波浪能发电装置的应用价值．

作者：吕沁 李德堂 唐文涛 曹伟男 金豁然 胡星辰 单位：浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院 浙江省近海海洋工程技术重点实验室