陣列浮子式波浪能液壓疊加發電系統設計及研究*

馮 輝 李 超 王高陽 邱 昊 呂 寧 戴 敬

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

陣列浮子式波浪能液壓疊加發電系統設計及研究*

馮 輝 李 超 王高陽 邱 昊 呂 寧 戴 敬

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

針對現有波浪能發電模式所存在的不足之處，提出一種可用于多浮子波浪能發電裝置的液壓發電系統.在波能捕獲部分數學模型的基礎上，采用Matlab/Simulink與AMESim聯合仿真的方式，對系統進行動態仿真分析.結果表明，應用該系統，各浮子可實現雙向行程做功，不同浮子雙向運動機械能轉換為液壓能后可實現能量疊加，蓄能器穩壓效果明顯，液壓馬達在三種不同工況下輸出轉速及轉矩均保持穩定，驗證了該系統用于多浮子波浪能發電裝置的可行性.

波浪能；多浮子；能量疊加；液壓傳動；聯合仿真

0 引 言

隨經濟社會的快速發展，能源短缺和環境破壞問題日益嚴重，尋找可再生新能源已成為全球共識.作為新能源之一的波浪能因其分布廣、儲量大的優點，受到各國的廣泛關注[1].已有的波浪能發電裝置按利用形式可分為振蕩水柱型、聚波越浪型和機械液壓型[2]，振蕩浮子式裝置是機械液壓型的典型代表，具有廣闊的發展前景[3].目前，該類裝置的中間能量傳遞與轉換方式主要有機械傳動和液壓傳動，兩種轉換方式都尚存在不足之處，比如，機械傳動存在故障率高、重量大及安裝不便的缺點，且波浪的不確定性使該方式具有很大的間歇性與波動性[4]；液壓傳動多基于液壓缸單行程做功的原理，即一個波浪周期內只有一半時間做功，能量輸出間斷，從而影響電力的穩定輸出[5].

文中以多浮子振蕩式波浪能發電裝置為研究對象，針對其能量傳遞與轉換方式存在的能量輸出間斷、工作不穩定等問題，設計出一套基于液壓傳動的疊加發電系統，有助于提高波浪能的開發價值.根據浮子運動數學模型，基于Simulink與AMESim軟件平臺對系統進行聯合仿真分析，為開發雙行程做功的液壓系統提供理論基礎.結果表明，該系統使用雙向齒輪泵有效吸收多個浮子雙向運動的機械能，并轉換為液壓能再加以疊加，在主油路加裝蓄能器，使通過液壓馬達的流量保持穩定[6].

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

液壓疊加發電系統根據功能可分為三部分，即波能捕獲部分、液壓傳動部分和發電存儲部分，見圖1.

圖1 液壓發電系統原理圖

1.2 工作原理

當浮子受到波浪力作用向上運動時，變速箱輸入軸在齒條帶動下旋轉，輸出軸帶動雙向齒輪泵旋轉，液壓油從集成油箱進入雙向齒輪泵進油口b，經加壓形成高壓油由出油口d進入梭閥，從梭閥出油口進入主油路，經蓄能器穩壓后帶動液壓馬達旋轉，液壓馬達與加速齒輪箱相接，加速齒輪箱帶動交流發電機發電，最后交流電經過整流后存入蓄電池中.

浮子向下運動時，液壓油從進油口a進入雙向齒輪泵，經過齒輪泵加壓，由出油口c進入主油路，之后過程與其向上運動的發電過程類似.

2 系統聯合仿真

2.1 浮子運動建模及仿真

系統采用半徑0.18 m、高度0.5 m的垂直圓柱體為浮子，初始吃水d0為0.25 m.單浮子在波浪力和液壓系統的共同激勵下做有阻尼受迫振動，該過程可簡化為圖2所示彈簧-質量-阻尼系統[7].

圖2 浮子受力簡化模型

浮子的運動微分方程為

式中：m為質量;x為浮子位移;c為阻尼系數;k為剛度系數;F(t)為波浪力;P(t)為系統力.

由于繞射系數與阻尼系數只與浮子的形狀與尺寸有關，因此，可通過單浮子振動實驗獲得浮子的位移曲線，并根據Froude-Krylov理論可求得浮子所受的波浪力，再根據運動微分方程求解繞射系數與阻尼系數，并將所得結果用于后期的多組仿真.

基于已建立的數學模型，利用Matlab/Simulink對浮子的運動狀態進行模擬仿真，見圖3.輸入量為波高、周期及水深，解出浮子在波浪力作用下的運動速度，并用于聯合仿真.

圖3 Simulink一級仿真界面

2.2 液壓系統仿真

AMESim軟件可提供圖形化仿真建模環境，能有效避免建立液壓元件數學模型的復雜過程，并可可根據仿真結果對系統進行優化[8]，從而降低液壓系統的開發時間和成本.因此，在對系統各元件選型的基礎上，借助AMESim軟件平臺，在Sketch模式下利用軟件已有的液壓元件模型庫搭建出液壓傳動部分的仿真模型，見圖4.其中，主要元件參數為液壓泵排量1.14 mL/r，液壓馬達排量 8.2 mL/r，蓄能器初始起氣壓4.5 MPa.

圖4 液壓傳動仿真模型

3 仿真結果分析3.1 仿真工況

為利用聯合仿真模擬系統的工作狀態，并合理簡化真實海況下復雜的波浪條件，降低研究成本，在此做出以下假設：①多浮子排列方式對波浪的周期無影響；②垂直于波浪傳播方向排列的一排浮子所受波浪力的大小及初相位相同；③沿波浪傳播方向排列的一列浮子存在遮蔽效應，即波高有衰減，且波浪力初相位不同.

為研究多浮子排列方式及波高范圍對該系統穩定性的影響，本文選取三組工況進行聯合仿真研究，仿真時間為50 s，水深20 m，周期3 s，各浮子的具體工況見表1.

3.2 結果分析

1) 雙行程做功分析 在仿真模擬的三種工況中，浮子速度與其對應支路的流量隨時間有相似的變化規律，在此以工況1中浮子1速度與支路1流量隨時間的變化曲線為例，見圖5.

表1 仿真工況

圖5 浮子速度與支路流量圖

在浮子1速度正負變化表示浮子雙向運動，在此過程中，支路1中流量均為正值且大小與浮子運動速度絕對值呈正相關關系，體現出系統雙行程做功的特點.

2) 液壓回路流量分析 工況2中各支路流量見圖6，支路流量均呈相似的周期性變化，且對應較高波高的支路的平均流量高.

圖6 支路流量圖

壓力和流量是液壓傳動中最重要的參數，前者代表傳動中的力，后者代表傳動中的速度，而二者的乘積則是功率，即

P=pQ

式中：P為功率;p為壓力;Q為流量.

在該套液壓系統中，支路與主油路中的油壓基本相同，因此可通過流量來表示功率大小.

工況2中主油路流量在經過蓄能器前后的流量見圖7.1點流量呈明顯的周期性變化，且數值上與四條支路流量之和相等，體現了液壓系統疊加各支路流量的作用.經過蓄能器的穩壓后，2點流量穩定在0.7 L/min左右，保證了液壓馬達的輸入流量穩定.

圖7 蓄能器前后流量圖

3) 液壓馬達工作狀態分析 工況1，2中液壓馬達的工作狀態見圖8，液壓馬達的工作狀態相似，運行一段時間后馬達的轉速及扭矩均達到穩定，液壓馬達的輸出功率分別穩定在138 W和92 W左右，輸出功率的差別與浮子遮蔽效應造成的波高衰減有關.

圖8 液壓馬達工作狀態

工況3的仿真結果與1和2不同，見圖9.轉速和扭矩在一定范圍內周期性變化，液壓馬達的輸出功率沒有達到穩定狀態.原因在于波高小的情況下，系統中的油壓相對蓄能器的初始氣壓較低，蓄能器未能起到穩定系統油壓的作用.因此，為使系統的工作狀態穩定，蓄能器的選型需要依據工作海域的平均波高確定.

圖9 工況3液壓馬達工作狀態

4 結 論

1) 不同浮子雙向運動的機械能經該系統轉換為油壓能后可實現疊加，有助于提升波浪能發電裝置的能量轉化效率.

2) 在浮子所受波浪力大小不同且存在相位差的情況下，各支路流量在主油路匯集并穩定疊加，經蓄能器穩壓后，液壓馬達輸出功率保持穩定.

本文的研究內容涉及水動力學與機械等學科領域，還有若干問題需要進一步研究.發電裝置實際工作海域的波浪情況為不規則波，可用Simulink軟件模擬合適的波浪譜，研究真實海況下發電系統的工作狀態.據真實波況和多浮子波浪能發電裝置的實際尺寸進行仿真模擬，并優化各元件的選型.

[1]李永國,陳成明.波浪能技術發展歷程及應用現狀[C].中國可再生能源學會海洋能專業委員會學術討論會,2010.

[2]宋文杰,史宏達,劉鵬.基于雙行程液壓傳動的振蕩浮子式波浪能發電系統仿真研究[J].太陽能學報,2016,37(1):256-260.

[3]游亞戈,李偉,劉偉民,等.海洋能發電技術的發展現狀與前景[J].電力系統自動化,2010,34(14):1-12.

[4]黃委.基于海上多能源綜合開發利用的液壓傳動系統研究[D].北京：華北電力大學,2014.

[5]張大海,李偉,林勇剛,等.雙行程做功波浪能液壓傳動系統設計及仿真研究[C].中國可再生能源學會2011年學術年會論文集,2011.

[6]王坤林,田聯房,王孝洪,等.液壓蓄能式波浪能裝置發電系統的特性[J].華南理工大學學報(自然科學版),2014,42(6):25-31.

[7]王鳳銀.多點陣列式波浪能液壓發電系統的匹配設計與模擬仿真[D].廈門：集美大學,2015.

[8]劉海麗.基于AMESim的液壓系統建模與仿真技術研究[D].西安：西北工業大學,2006.

Design and Research of Hydraulic Power Generation System with Superposed for Multi-point Array Type Wave Energy Convertor

FENG Hui LI Chao WANG Gaoyang QIU Hao LYU Ning DAI Jing

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

This paper proposes a hydraulic power generation system with multi-floater wave energy converter aiming at the shortage of the current wave energy power generation mode. Based on the mathematical modelling for capturing wave energy, dynamic simulation analysis of this system is carried out by the co-simulation of Matlab/Simulink and AMESim. The results show that each floater can achieve two-way power stroke with the application of the system, resulting in the energy superposition by the conversion from mechanical energy to hydraulic energy due to the two-way motion of different floaters. It also shows that the accumulator has great voltage stabilizing effect. Then, the hydraulic motor can keep stable output rotation rate and torque for three different operation conditions, which verifies the feasibility of the application of this system on the multi-floater wave energy converter.

wave energy; multi-floater; energy superposition; hydraulic drive; co-simulation

2017-04-12

*國家自然科學基金項目(61301279)、國家級大學生創新創業訓練計劃項目(20161049702009)資助

TH137

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.011

馮輝(1981—)：男，博士，副教授，主要研究領域為海洋能源利用、智能船舶、船舶動力定位系統