基于液压传动的波浪能发电装置的原理与实例

王炳通，何宏舟，郑松根，张迪

（1.集美大学 福建省能源清洁利用与开发重点实验室，福建省 厦门  361021；2.集美大学 福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究中心，福建 厦门  361021；3.集美大学 轮机与工程学院，福建 厦门 361021）

摘要：基于液压传动的波浪能发电装置具有较好的稳定性和发电效率以及相对较低的成本等优点。本文基于日本推摆式波浪能发电站、“海院1号”波浪能发电装置、“集大2号” 浮子式波浪能发电装置等波浪能发电装置液压传动的实例情况，介绍了各种液压转换原理及特点，提出液压系统改进的建议。

关键词：波浪能；发电装置；液压传动；液压系统

1  引言

随着人类社会进步，全球经济快速发展，人类对能源的依赖不断提升，同时对能源的需求量也在急剧增长。在此同时，面临着石化能源不断枯竭，环境污染日益严重的危机。因此，近年来对新能源、可再生能源等领域的研究与开发成为全球的热点，全球许多国家政府都对可再生能源的研究与开发给予大力支持。

可再生能源所包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核能、水能和海洋能等。相对于传统的石化能源，可再生能源普遍具有污染少、储量大等特点。对于缓解当前世界传统能源枯竭和环境污染问题具有重大意义。 

海洋蕴藏着极为丰富的绿色可再生能源，主要包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等^[1]。海洋波浪能是一种无污染、清洁、可再生的新能源，波浪能发电技术的研究与开发有重大的意义。波浪能发电可为岛屿开发和海上设施等提供能源，还可以用波浪能发电为海水淡化提供能量 ^[2]。随着人类不断的研究，波浪能发电技术的利用也慢慢的走向了商业化。

2  波浪能简介

波浪能是指海洋表面所具备的动能和势能。波浪的能量与波浪高的平方成正比、与波浪周期、迎波面的宽成正比^[3]。

由于波浪能开发过程中对环境影响较小且以机械能（动能和势能）形式存在，是海洋能中品质最高的能源。至 2011 年，全球已提出了超过 4 000 种波浪能转换技术^[4-6]。

波浪能发电装置的原理按能量转换次数划分有：两级能量转换、三级能量转换和四级能量波浪能发电系统，如图1所示。

图1  波浪能发电能量转换装置原理图

本文主要分析能量传动环节（主要是指在传动过程中有改变相应的参数，没有改变能量形式，有利于最终的电能的转换的一个环节）的能量形式有机械能、气动能、磁流体、液压能等。

两级能量转换的波浪能发电系统，如图根据中间环节主要有两种技术路线：第一种，波浪能转化为机械能，由机械能直接驱动直线电机发电；第二种，将波浪能转换为机械能，机械能作为能量的传动环节，最终将机械能转换为电能。

三级能量转换的波浪能发电系统，如图根据中间环节主要有三种技术路线：第一种，波浪能转化为机械能，由机械能驱动流体泵转化为磁流体能，磁流体能作为能量的传动环节，最终磁流体通过磁流发电机发电；第二种，波浪通过渐缩水道将波浪能转换为水势能，通过水轮机再将水势能转换为机械能，最终将机械能转换为电能。第三种，通过振荡水柱将波浪能转换为气动能，气动能作为能量的传动环节，通过汽轮机再将气动能转换为机械能，最终将机械能转换为电能。

四级能量转换的波浪能发电系统，如图根据中间环节主要有一种技术路线：波浪能转化为机械能后，由机械能驱动液压泵转化为液压能，液压能作为能量的传动环节，通过液压马达再将液压能转化为机械能，最终将机械能转换为电能。

波浪能发电系统中，对于各种能量传动环节各有优缺点。早期，所研究的波浪能发电装置大多数采用机械传动、气动传动，只有少量采用液压传动．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、调速不便、易腐蚀等问题^[6]；而气动传动只适用于振荡水柱式波浪能发电装置，这些问题很大因素制约了波浪能设备的发展。在近十几年来，越来越多的学者开始研究与设计基于液压传动的波浪发电装置。由于，液压动力传动却具有传动平稳、调速方便、功率体积比大等特性^[8-9]，对于波浪能装备开发有较大的优势，本文主要介绍以液压能的能量传动为主的波浪能发电设备。

3 基于液压系统作为能量传输的波浪能发电装置的实例

3.1 日本推摆式波浪能发电装置

于1983年，日本渡部富治教授在北海道内浦湾建造了推摆式波浪能试验电站，其装机容量5kW。 该波浪能发电装置通过摆板来回摆动将波浪能转换为机械能，通过单向液压泵与摆板连接使机械能转化为液压能，最后用高压油来驱动液压马达旋转来带动电机发电。该发电装置的液压转换原理见图2^[10]。

从图 2可知液压系统由液压缸、蓄能器、两位三通液动换向阀、单向阀、溢流阀、液压马达、过滤器以及油箱等组成。该液压系统的工作原理是，当波峰到来时，海浪驱动摆板绕着转轴顺时针旋转，通过连杆驱动液压缸的活塞向右移动，使P1b腔室的液压油压力升高，高压油从单向阀组件113中的右下角阀体通过流经管路116，通过换向阀120右位流经管路126b，驱动单向液压马达121b转动，通过带轮传动来带动发电机123发电；同时，油箱111的低压油经过滤器133，再通过单向阀组件113左上阀体流进液压缸的P1a腔室。当波峰过去后，摆板绕着转轴逆时针旋转，通过连杆带动活塞向左移动，使P1a腔室的液压油压力升高，高压油从单向阀组件113中左下角阀体通过流经管路116，通过换向阀120左位流经管路126a，驱动单向液压马达121a转动，通过带轮传动来带动发电机123发电；同时，油箱111的低压油经过滤器133，再通过单向阀组件113右上阀体流进液压缸的P1b腔室。该液压系统中蓄能器125a、b是起着缓冲作用。该波浪能发电装置的摆的宽度为 2m，最大摆角范围为±30°，波高为 1.5m，周期为 4s 时，正常输出功率约为 5k W，总效率可达到 40%~50%，是日本波浪能发装置中效率较高的 ^[11]。

图2 日本推摆式波浪能发电液压转换原理图

110—液压缸；111—油箱；113—单向阀组 120—换向阀；121a,b—单向液压马达；123—电机；114—溢流阀；125a,b—储能器；133—过滤器

采用开式的液压系统对于低压油的供给较方便；采用双作用的液压缸，在设计摆板时，要考虑摆板重量（因为摆板的重量会影响液压系统的稳定性）；该液压系统采用两个蓄能器与液压马达组成了两条支路，每条支路都是间歇进入高压油（意味着液压马达处于间歇工作状态），对液压能造成一定的损耗。采用液控换向阀，通过液压系统本身该阀体，可以降低控制系统复杂性，可以在一定程度上降低成本。

3.2 自升式振荡浮子式波浪能发电装置

浙江海洋学院船舶与海洋工程学院自主开发了基于液压传动的自升式振荡浮子式波浪发电装置“海 院 １ 号 ”，如图3^[12]所示。如图3所示，该平台主要采用三根柱桩支撑，每个柱桩上有一个发电系统，每个柱桩的发电系统由浮子、波浪板（锯齿形）、液压系统、发电机、控制以及负载模块所组成。“海院 1号” 液压系统工作原理图以及该液压系统的组成，如图4^[12]所示。结合图3b和图4所示。“海院1号”发电平台每根柱桩的两侧都有一块波浪板，波浪板和浮子连接，每个波浪板都驱动四个单作用的液压缸工作。

图3 “海院1号”波浪能发电装置

图4  “海院1号”的液压系统的工作原理图

1—单作用液压缸；2—单向阀；3—蓄能器；4—溢流阀；5、8—流量传感器；

6—定量双向液压马达；7、11—永磁同步发电机；9—二位二通换向阀；

10—变量双向液压马达；12—油缸；13—压力表

该波浪能发电平台发电的工作原理是通过浮子将波浪能转换为浮子和波浪板机械能，通过锯齿形波浪板于液压缸相互作用将机械能转化为液压系统的液压能，在通过液压马达将液压能转化为液压马达转动的机械能来驱动电机发电。

该液压系统的工作原理：如图4所示，图中8个液压缸的工作原理相同，只是液压缸之间工作的时序不同，所以在此只对其中一个液压缸进行说明（以左边第一个为例）。当液压缸位于齿形波浪板的齿顶位置时，液压缸1油腔受挤压产生高压油，高压油通过右边的单向阀，再通过流量传感器5，如果流量传感器5传输给信号处理器的信号值未超过设定值，则高压油驱动液压马达6转动带动带动永磁同步发电7机发电，如果流量传感器5传输给信号处理器的信号值超过设定值，则一部分高压油驱动液压马达6转动带动带动永磁同步发电7机发电，另一部分高压油通过流量传感器8，再通过换向阀9（上位机能）来驱动液压马达10转动带动带动永磁同步发电11机发电。当液压缸位于齿形波浪板的齿底位置时，液压缸在缸内的弹簧作用下从低压油区吸油，该低压油是从油箱12单向阀2，在进入油缸。图中的蓄能器3主要起液压系统的缓冲作用；溢流阀4主要是保护液压系统。

该系统最大的优点是有两套液压马达与电机，一套是长期处于工作状态下，另一套是待机状态下，只有在液压系统提供的高压油去驱动一套液压马达与电机处于过饱和状态下时，才运行，这样可以减少液压能的浪费；蓄能器可以降低液压冲击;溢流阀对液压回路起过载保护作用。

3.3振荡浮子式波浪能发电装置

2014 年，集美大学机械与能源工程学院开发 “集大 1号”波浪能发电平台。如图5[12]所示。“集大 1 号”设计为漂浮式波浪能发电平台，该平台上的波浪能发电该装置采用摆动浮子式收集波浪能，采用机械系统传动，并带动电机发电。每个振荡浮子重量为 200 kg，长度为 1.8 m，高度为 1 m，平台的理论发电效率可达到 31.7%，海试时最佳发电效率为 26.9%^[13]。但采用机械传动存在一些问题，由于波浪的不规则性发的电能极不稳定，却由于机械传动是刚性连接对零部件的冲击较大，可能大大降低零部件的使用寿命等。

图5  “集大1号”波浪能发电装置

 鉴于此，将 “集大一号”波浪能发电平台的基础上进行优化改进成“集大2号”波浪能发电平台，主要是将平台右侧5套机械传动的摆动浮子发电系统，改造为由自主开发了基于液压传动的浮子式波浪能发电系统。 如图6所示。“集大2号”波浪能发电装置由浮子（5个浮子中有三种长度摆臂）、液压传动系统、发电系统（包括发电机、电池组、负载以及相关的设备）、压载水液压系统以及控制系统组成。

图6  “集大2号”波浪能发电平台

该波浪能发电平台的工作原理，由摆式浮子吸收波浪能将其转化为浮子的机械能（包括势能和动能），通过与摆臂连接的液压缸将机械能转化为液压能，在通过液压能驱动液压马达转动来带动发电机发电。液压传动系统如图7所示。

图7  液压系统的原理图

1—液压缸；2、7、8、14、15、16、19、20、21、26、31、32、33—球阀；

3、4、5、6、28、29—单向阀；9—蓄能器；10—压力表；11、17—传感器；

12、27—溢流阀；13—换向阀；18—调速阀；22—流量表；23—液压马达；

24—转速/扭矩传感器；25—发电机；30—过滤器（P**代表管路编号）

该液压系统的工作原理，如图7所示。在工作状态下，球阀14、15、32、33是处于关闭状态。a、摆动浮子在海浪中从波谷到波峰的过程中，液压缸1的活塞向上运动，使上油腔产生高压油，高压油通过油路P0—球阀2—油路P1、P2—单向阀3—油路P3、P13、P14—球阀8再进入蓄能器蓄能。在此同时，下油腔需要吸入低压油，低压油从油箱35—单向阀28—油路P26—过滤器30—球阀31—油路P10—单向阀6—油路P9、P5—球阀7进入下油腔；b、摆动浮子在海浪中从波峰到波谷的过程中，液压缸1的活塞向下运动，使下油腔产生高压油，高压油通过油路P4—球阀7—油路P5、P7—单向阀4—油路P8、P3、P13、P14—球阀8再进入蓄能器蓄能。在此同时，上油腔需要吸入低压油，低压油从油箱35—单向阀28—油路P26—过滤器30—球阀31—油路P10—单向阀5—油路P12、P1—球阀2进入上油腔；a、b步骤交替运行，当蓄能器大压力达到设定上线压力值时，压力传感器10将信号传给控制系统，控制系统再控制电磁换向阀13，使该阀处于右位机能。这时，c、蓄能器释放高压油通过球阀8—P14、P13、P16—球阀16—油路P17、P18—调速阀18—油路P21—流量表22—球阀21再驱动液压马达转动来带动发电机发电。在发电时间段液压系统属于闭环系统，这时，液压马达出油口的油提供给液压缸的低压油腔，而油缸只起补油作用。当蓄能器的压力低于设置的下线压力值时，压力传感器10将信号传给控制系统，控制系统中的停止控制电磁换向阀13，使该阀处于左位机能。液压系统重复a、b、c三个步骤循环。

该液压系统在蓄能阶段处于开环工作状态，在发电阶段处于闭环工作状态，可以降低液压马达排除的低压油直接回油箱造成液压能的浪费（液压马达排除的低压油的压力一般大于油箱里的压力）；本液压系统中的蓄能器起蓄能与缓冲作用；流量阀提高驱动液压马达流量稳定，来保证电能的稳定性；球阀14主要用于并联来驱动一台液压马达，来保证液压马达处于饱和工作状态，可使该环节能量转换效率达到最佳状态。

4 结语

本文介绍了三种基于液压传动的波浪能发电装置，日本推摆式波浪能发电站、“海院1号”波浪能发电平台、“集大2号” 浮子式波浪能发电平台。液压传动与其他传动相比有诸多优势，例如，传动平稳、调速方便、功率体积比大、自动化控制程度高等特点，以及维护方便、成本相对较低。液压传动的波浪能发电系统实例研究的最终目是为了提高发点效率或者提升电能的稳定性（发电品质）。这与液压系统的组成有很大关系，例如，蓄能稳压系统的压力变化范围为4.0~6.0 MPa 时，能量转换系统的率为 48.78%；当压力提高到 8.00~22.5 MPa 时，能量转换系统的效率为 86.35% ，提高了 37.57%^[14]。但由于我国海域的波浪能密度较低，很难直接将蓄能器的压力值提升到系统工作的较理想值。

通过对液压传动的波浪能发电系统实例的分析，可以从以下几个方面对液压系统做进一步研究：

（1）在波浪能密度较低的海域中，如何提升液压系统的蓄能压力（这对提升液压传动系统中液压马达的转换效率具有较大的意义）。

（2）在实用性的基础上，依据最小能量损失原则对液压系统进行优化研究。

（3）由于波浪能发电装置往往安装在海洋浮体平台上，长期处在有振动和较强的腐蚀性的环境中，会导致液压元件腐蚀、液压元件连接处松动和液压系统的漏油等问题加重。研究如何降低腐蚀和松动问题，对设备的维护有重大的意义。研究如何减少液压系统的漏油问题，对提升液压系统的传动效率有显著的意义。

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