基于懸臂結(jié)構(gòu)的浮子式波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

紀(jì)賢璋，段元奕，劉家博

（1.廣西民族大學(xué)電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530006；2.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590）

傳統(tǒng)能源如今正面臨著資源枯竭、環(huán)境污染、成本高昂等諸多問題，可重復(fù)利用的新型能源已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)界研究發(fā)展的重點(diǎn)方向。太陽能、風(fēng)能等新型能源的開發(fā)利用已經(jīng)有了比較成熟的技術(shù)；而波浪能作為一種分布廣闊、儲(chǔ)量巨大、安全無污染的新型能源，以其多樣化的利用方式和極具潛力的發(fā)展空間受到越來越多的關(guān)注。據(jù)估計(jì)，全世界海洋的波浪能共有9 億kW，占海洋中總能量的95%。而我國陸地海岸線長達(dá)18 000 多km，大小島嶼6 960 多個(gè)，波浪能資源十分豐富，利用波浪能進(jìn)行發(fā)電具有非常大的發(fā)展空間。

要提高波浪能發(fā)電裝置的效率，第一級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。由于浮子式波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單，波浪能利用率高，因此受到許多研究者的關(guān)注。現(xiàn)在固然已經(jīng)有了許多不同的浮子結(jié)構(gòu)，但在這一方面仍存在許多有待創(chuàng)新和開發(fā)之處。該設(shè)計(jì)就是從這里入手，通過設(shè)計(jì)新型浮子式發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)，希望能夠提高波浪能的捕獲效率。

1 基本原理概述

在波浪力作用下，一方面，浮子的上下運(yùn)動(dòng)可以直接用于推動(dòng)液壓缸轉(zhuǎn)換為液壓能，或者利用直線電機(jī)發(fā)電、電磁感應(yīng)等原理轉(zhuǎn)換為電能；另一方面，浮子的上下運(yùn)動(dòng)也可以通過懸臂、杠桿等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)液壓泵或發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于前者用于發(fā)電的理論尚不成熟，且存在能量轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定等問題，因此該設(shè)計(jì)在懸臂結(jié)構(gòu)浮子式發(fā)電裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)[1]。

第一級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作原理，即捕獲波浪能，轉(zhuǎn)換為懸臂等機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械能。分析現(xiàn)有的懸臂結(jié)構(gòu)的發(fā)電裝置，可以發(fā)現(xiàn)都有一個(gè)相同的特點(diǎn)，那就是懸臂一端放置浮子，另一端以回轉(zhuǎn)副固定在基座上。波浪力作用在浮子上，使懸臂繞固定端旋轉(zhuǎn)。這樣的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)造成懸臂在浮子帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)的角度很小，即在一定波浪力作用下，懸臂對(duì)液壓泵或發(fā)電機(jī)做功小，轉(zhuǎn)換的波浪能小。這是因?yàn)閱蝹€(gè)浮子只能利用一個(gè)周期的波浪運(yùn)動(dòng)，而前后其他周期的波浪運(yùn)動(dòng)則完全沒有被利用起來，所以導(dǎo)致對(duì)波浪能的轉(zhuǎn)換效率低。針對(duì)這一問題，該設(shè)計(jì)提出一種全新的懸臂式結(jié)構(gòu)，即使得原懸臂固定端也能隨著波浪運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。在滿足一定條件（波長與懸臂長的關(guān)系等） 的情況下，可以使得懸臂做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)角度大大增加。

和傳統(tǒng)的懸臂結(jié)構(gòu)相比較，由于支架也能夠在波浪力作用下做起伏運(yùn)動(dòng)，和工作浮子的起伏運(yùn)動(dòng)疊加后，懸臂的相對(duì)擺角變大了，因此在整個(gè)工作周期內(nèi)，懸臂做功大大增加，波浪能的轉(zhuǎn)換效率得到了提高。這是因?yàn)橥苿?dòng)支架運(yùn)動(dòng)的波浪也對(duì)系統(tǒng)有效做功的緣故。

2 裝置結(jié)構(gòu)簡圖

該設(shè)計(jì)包括浮子、懸臂、支架等。第117頁圖1 為運(yùn)動(dòng)模擬圖，直觀地展示了在波浪力作用下浮子和懸臂的模擬運(yùn)動(dòng)狀況，圖中可見模擬波浪。該裝置在兩側(cè)水平軸支撐下可以相對(duì)于波浪左右移動(dòng)，模擬當(dāng)該裝置固定在安裝平臺(tái)上時(shí)隨波浪波動(dòng)的過程。該設(shè)計(jì)的核心之處，在于可上下運(yùn)動(dòng)的懸臂支架，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖2[2]。

豎直滑軌固定不動(dòng)，與支架軸垂直。支架軸一端嵌套在滑塊中，滑塊與豎直滑軌組合在一起。在波浪力作用下，支架浮子帶動(dòng)支架沿著豎直滑軌軌道上下運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)分別在支架兩側(cè)都安裝了一套懸臂浮子結(jié)構(gòu)，稱為一組。沿著支架軸共有3 組。在實(shí)際制造的時(shí)候，人們可以根據(jù)安裝平臺(tái)的大小和對(duì)發(fā)電功率的要求自主選擇懸臂組數(shù)，只需要簡單修改支架軸結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)，非常簡單[3]。

3 裝置結(jié)構(gòu)解析

3.1 液壓系統(tǒng)輸入穩(wěn)定性機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

把支架軸設(shè)計(jì)成曲軸，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的在于利用相位關(guān)系保證第二級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置（即液壓系統(tǒng)） 內(nèi)部壓力基本恒定。波浪可近似為正弦波，根據(jù)正弦波相位特性，若有3 個(gè)振幅和頻率相同的波，相位差均為120°，則它們輸出振幅之和Asin（ωt）+Asin（ωt+120°）+Asin（ωt-120°）是常數(shù)。

將這一特點(diǎn)和液壓系統(tǒng)結(jié)合，即保證3 個(gè)液壓泵輸入時(shí)相位差為120°，就能在一定程度上確保系統(tǒng)內(nèi)部壓力恒定，也就保證了能量輸出的穩(wěn)定性。當(dāng)波的數(shù)量改變時(shí)，也有相應(yīng)的相位關(guān)系以滿足此現(xiàn)象。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正是基于以上原理。

3.2 支架軸布局設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)懸臂結(jié)構(gòu)的浮子式波浪能發(fā)電裝置不同，在該設(shè)計(jì)中，由于支架不固定，因此原先固定在安裝平臺(tái)上的傳動(dòng)裝置（如齒輪箱和液壓泵） 也需要隨著支架而運(yùn)動(dòng)。針對(duì)這一問題，需要專門對(duì)支架軸進(jìn)行設(shè)計(jì)。支架軸總體設(shè)計(jì)見圖3，為方便起見，只畫出了一組懸臂。該裝置兩側(cè)為滑塊，滑塊上安裝有與滑軌相配合的矩形導(dǎo)向軌?；瑝K中空，既減輕質(zhì)量，又便于液壓管道通過?；瑝K前面開孔，與支架之間通過滑動(dòng)軸承連接[4]。

兩個(gè)懸臂之間支架保持周向固定，安裝在支架浮子上的一個(gè)腔體，內(nèi)部中空。在這里安裝有齒輪換向增速箱和液壓泵箱。當(dāng)懸臂隨波浪運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)時(shí)，通過安裝在支架上的輸入軸，將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸入齒輪換向增速箱。在這里，雙向轉(zhuǎn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成單向輸出，且通過齒輪換向增速箱增速后輸入液壓泵箱，帶動(dòng)液壓泵壓入液壓油。液壓油經(jīng)輸入管道從安裝在安裝平臺(tái)上的油箱輸入，再通過輸出管道輸入安裝在安裝平臺(tái)另一側(cè)的液壓馬達(dá)使其轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。腔體上部安裝有蓋板，與滑塊之間有檢修通道連接，便于工作人員安裝齒輪換向增速箱等裝置，以及進(jìn)行例行維修和保養(yǎng)。

考慮到在安裝了齒輪換向增速箱和液壓泵箱后支架質(zhì)量可能的增加，浮子吃水加深，會(huì)影響到對(duì)波浪能的吸收效率，可以在滑塊下面安裝液壓頂桿或彈簧平衡增加的質(zhì)量，以保證各組浮子能夠工作在最佳捕能效率位置。

3.3 安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)

雙體船具有可利用空間大、承載能力高、抗波性能良好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用來作為安裝該裝置的安裝平臺(tái)。安裝平臺(tái)雙體船設(shè)計(jì)簡圖見第118頁圖4。雙體船船體上安裝有豎直滑軌，浮子主體和滑軌配合，安裝在雙體船的中間。浮子支架上伸出的液壓軟管通過滑軌上特別制作的槽連接到安裝平臺(tái)上。安裝平臺(tái)上緊貼滑軌兩側(cè)分別安裝有液壓油箱和液壓馬達(dá)箱，二者又通過安裝平臺(tái)上的液壓管道連通。這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的液壓回路。液壓馬達(dá)一側(cè)布置發(fā)電機(jī)組以及其他一些輔助設(shè)備。產(chǎn)生的電能通過雙體船拖拽的海底電纜輸送至岸上。如果要在遠(yuǎn)海發(fā)電，則將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，但這樣將極大地影響工作效率[4]。

與固定式安裝平臺(tái)相比，雙體船不受工作海域深度影響，且能在拖船拖拽下靈活移動(dòng)。在一年中適合發(fā)電的時(shí)間里可以移動(dòng)至目標(biāo)海域工作，其他時(shí)間則回廠維修保養(yǎng)。遭遇破壞性的大風(fēng)浪時(shí)也可以移動(dòng)至安全海域暫時(shí)躲避，提高了該裝置的可靠性。

3.4 齒輪換向增速箱的設(shè)計(jì)

一方面，由于在波浪力作用下，懸臂的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)具有大扭矩、低轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，因此如果要帶動(dòng)液壓泵正常工作，需要設(shè)計(jì)齒輪增速機(jī)構(gòu)。另一方面，由于懸臂擺動(dòng)具有雙向性，而液壓泵需要單向輸入，因此齒輪增速機(jī)構(gòu)還需要具有換向功能。設(shè)計(jì)的齒輪換向增速箱具有這兩項(xiàng)功能，其主體部分為齒輪加速器，齒輪加速器簡圖見圖5。

齒輪加速器平面示意圖見圖6。其中，軸1 和軸2 都安裝有單向軸承，假設(shè)向上的箭頭代表順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，向下的箭頭代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)輸入軸按圖6 所示方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸2 的單向軸承只允許軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，于是使與輸入軸嚙合的齒輪在單向軸承的作用下空轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩通過軸1 傳導(dǎo)至輸出軸，輸出軸為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)輸入軸按圖6 所示方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸1 的單向軸承只允許軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，于是使軸1中與輸入軸嚙合的齒輪在單向軸承的作用下空轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩通過軸2 傳導(dǎo)至輸出軸，輸出軸仍然為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這就保證了輸出軸永遠(yuǎn)做單向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)輸入軸的轉(zhuǎn)向不同時(shí)，轉(zhuǎn)速可通過三級(jí)展開式圓柱齒輪加速器和四級(jí)展開式圓柱齒輪加速器進(jìn)行加速，但兩個(gè)加速器要保證總傳動(dòng)比相同。該設(shè)計(jì)以三級(jí)展開式圓柱齒輪加速器，計(jì)算加速器加速的最大值。查手冊(cè)可知，輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速的最大比值可為400。如果選用八級(jí)精度的齒輪制作此加速器，那么查表可知一對(duì)滾動(dòng)軸承的效率為0.995 5，齒輪傳動(dòng)的效率為0.985 4，則此加速器的總效率η=0.995 5×0.985 4=0.981 0。

3.5 第二級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

因?yàn)椴ɡ诉\(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和不確定性，第一級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)捕獲的波浪能轉(zhuǎn)換成的機(jī)械能也是不穩(wěn)定、不連續(xù)的，所以需要通過第二級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（即液壓系統(tǒng)） 將不穩(wěn)定的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的液壓能，從而將能量最終穩(wěn)定地輸出給發(fā)電機(jī)，提高發(fā)電效率。在發(fā)電機(jī)輸入軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子受力可以由洛倫茲力計(jì)算。當(dāng)液壓系統(tǒng)輸出恒壓并且液壓馬達(dá)輸出勻速時(shí)，由牛頓第二定律，液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩為恒定，與其輸出軸相連的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所受阻力同樣恒定。若發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場恒定，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也是恒定的，產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢也是恒定的。因此，穩(wěn)定液壓系統(tǒng)的輸出壓力，就可以在很大程度上穩(wěn)定發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。為穩(wěn)定液壓系統(tǒng)輸出壓強(qiáng)，該設(shè)計(jì)采取三級(jí)穩(wěn)壓的形式。

第一級(jí)是三相供油泵。波浪能捕獲裝置將波浪運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)處旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，而這些機(jī)械能又可以經(jīng)過加速器輸送到油泵中，使油泵動(dòng)作，輸送油液。假設(shè)波浪是正弦波，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將每一條線上的捕獲裝置設(shè)置成3 個(gè)，每波浪的相位120°放置一個(gè)。這樣液壓系統(tǒng)的輸出壓強(qiáng)為三相中的最高壓[5]。

第二級(jí)為能量轉(zhuǎn)換模塊的蓄能器。油液被泵送入系統(tǒng)之后，存儲(chǔ)在蓄能器中，由于空氣的彈性模量比較大，容易壓縮，因此蓄能器可以存入一部分壓力穩(wěn)定的油液。經(jīng)過蓄能器穩(wěn)壓之后，輸出更為穩(wěn)定。

第三級(jí)是補(bǔ)油。在主油路中使用蓄能器在實(shí)際中已經(jīng)有了比較多的運(yùn)用?？紤]到這一結(jié)構(gòu)尚存在的缺陷，在極端情況下穩(wěn)壓性能較差，該設(shè)計(jì)采用了一種新式的液壓系統(tǒng)，增加了一條補(bǔ)油油路。如果波浪較大，出現(xiàn)蓄能器飽和的狀態(tài)，多余油液的壓力可以將順序閥開啟，油液流入馬達(dá)，帶動(dòng)補(bǔ)油泵動(dòng)作，將油液存入蓄能器；如果波浪較小，蓄能器壓力低于設(shè)定的系統(tǒng)最低壓力，在壓力差的作用下，插裝閥會(huì)開啟，補(bǔ)油路中的蓄能器里的油液會(huì)流入主油路中，補(bǔ)充壓力，直到壓力達(dá)到最低值。

4 發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)，使用現(xiàn)有的波浪能發(fā)電裝置發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)。為達(dá)到最好的發(fā)電效果，需要根據(jù)負(fù)載形式選擇合適的發(fā)電機(jī)類型，匹配液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的額定輸入轉(zhuǎn)速，如果采用蓄電池，還需要設(shè)計(jì)合理的整流穩(wěn)壓、逆變器電路等[6]。

選用同步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電裝置。投入并聯(lián)進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程，稱為同步過程。同步方法采用自同步法。在相序一致的情況下，將勵(lì)磁繞組通過適當(dāng)?shù)碾娮瓒探?；用原?dòng)機(jī)把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步速（相差2%~5%）；在沒有接通勵(lì)磁電流的情況下，將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)；再接通勵(lì)磁并調(diào)節(jié)勵(lì)磁強(qiáng)弱，依靠定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)結(jié)合浮子式和筏式波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)，既具有高的波浪能吸收效率，又滿足高可靠性要求；以雙體船作為安裝平臺(tái)，除浮子外，增速箱、液壓系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組等部件均不與海水直接接觸，減少了腐蝕，便于維護(hù)人員維修和護(hù)理，并提高了對(duì)極端氣候的抵抗能力；創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新式的液壓系統(tǒng)，在利用較少的器件和簡單的回路設(shè)計(jì)的情況下，顯著提高了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)壓性能，減少了液壓系統(tǒng)的能量損耗，提高了發(fā)電效率。

該設(shè)計(jì)在現(xiàn)有懸臂結(jié)構(gòu)浮子式波浪能發(fā)電裝置的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地將懸臂支架設(shè)計(jì)為可隨波浪運(yùn)動(dòng)上下浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)，在滿足一定波長條件的前提下，能夠很大程度地增大懸臂的相對(duì)擺角，從而顯著提高了浮子式波浪能發(fā)電裝置對(duì)波浪能的捕獲效率。