紀賢璋，段元奕，劉家博

（1.廣西民族大學電子信息學院，廣西 南寧 530006；2.山東科技大學電氣與自動化工程學院，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，可重復利用的新型能源已經(jīng)成為當今科學界研究發(fā)展的重點方向。太陽能、風能等新型能源的開發(fā)利用已經(jīng)有了比較成熟的技術；而波浪能作為一種分布廣闊、儲量巨大、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注。據(jù)估計，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18 000 多km，大小島嶼6 960 多個，波浪能資源十分豐富，利用波浪能進行發(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，第一級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設計尤為重要。由于浮子式波浪能發(fā)電裝置結構簡單，波浪能利用率高，因此受到許多研究者的關注?，F(xiàn)在固然已經(jīng)有了許多不同的浮子結構，但在這一方面仍存在許多有待創(chuàng)新和開發(fā)之處。該設計就是從這里入手，通過設計新型浮子式發(fā)電裝置結構，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，浮子的上下運動可以直接用于推動液壓缸轉(zhuǎn)換為液壓能，或者利用直線電機發(fā)電、電磁感應等原理轉(zhuǎn)換為電能；另一方面，浮子的上下運動也可以通過懸臂、杠桿等結構轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運動，帶動液壓泵或發(fā)電機發(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，因此該設計在懸臂結構浮子式發(fā)電裝置的基礎上進行改進[1]。

第一級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作原理，即捕獲波浪能，轉(zhuǎn)換為懸臂等機械結構的機械能。分析現(xiàn)有的懸臂結構的發(fā)電裝置，可以發(fā)現(xiàn)都有一個相同的特點，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)。這樣的傳動結構造成懸臂在浮子帶動下轉(zhuǎn)動的角度很小，即在一定波浪力作用下，懸臂對液壓泵或發(fā)電機做功小，轉(zhuǎn)換的波浪能小。這是因為單個浮子只能利用一個周期的波浪運動，而前后其他周期的波浪運動則完全沒有被利用起來，所以導致對波浪能的轉(zhuǎn)換效率低。針對這一問題，該設計提出一種全新的懸臂式結構，即使得原懸臂固定端也能隨著波浪運動而運動。在滿足一定條件（波長與懸臂長的關系等） 的情況下，可以使得懸臂做旋轉(zhuǎn)運動的相對角度大大增加。

和傳統(tǒng)的懸臂結構相比較，由于支架也能夠在波浪力作用下做起伏運動，和工作浮子的起伏運動疊加后，懸臂的相對擺角變大了，因此在整個工作周期內(nèi)，懸臂做功大大增加，波浪能的轉(zhuǎn)換效率得到了提高。這是因為推動支架運動的波浪也對系統(tǒng)有效做功的緣故。

2 裝置結構簡圖

該設計包括浮子、懸臂、支架等。第117頁圖1 為運動模擬圖，直觀地展示了在波浪力作用下浮子和懸臂的模擬運動狀況，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于波浪左右移動，模擬當該裝置固定在安裝平臺上時隨波浪波動的過程。該設計的核心之處，在于可上下運動的懸臂支架，其結構簡圖見圖2[2]。

豎直滑軌固定不動，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，支架浮子帶動支架沿著豎直滑軌軌道上下運動。該設計分別在支架兩側(cè)都安裝了一套懸臂浮子結構，稱為一組。沿著支架軸共有3 組。在實際制造的時候，人們可以根據(jù)安裝平臺的大小和對發(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構就能實現(xiàn)，非常簡單[3]。

3 裝置結構解析

3.1 液壓系統(tǒng)輸入穩(wěn)定性機械結構設計

把支架軸設計成曲軸，這一結構設計的目的在于利用相位關系保證第二級能量轉(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)。

將這一特點和液壓系統(tǒng)結合，即保證3 個液壓泵輸入時相位差為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。當波的數(shù)量改變時，也有相應的相位關系以滿足此現(xiàn)象。這一結構設計正是基于以上原理。

3.2 支架軸布局設計

與傳統(tǒng)懸臂結構的浮子式波浪能發(fā)電裝置不同，在該設計中，由于支架不固定，因此原先固定在安裝平臺上的傳動裝置（如齒輪箱和液壓泵） 也需要隨著支架而運動。針對這一問題，需要專門對支架軸進行設計。支架軸總體設計見圖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向軌?；瑝K中空，既減輕質(zhì)量，又便于液壓管道通過。滑塊前面開孔，與支架之間通過滑動軸承連接[4]。

兩個懸臂之間支架保持周向固定，安裝在支架浮子上的一個腔體，內(nèi)部中空。在這里安裝有齒輪換向增速箱和液壓泵箱。當懸臂隨波浪運動擺動時，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上的油箱輸入，再通過輸出管道輸入安裝在安裝平臺另一側(cè)的液壓馬達使其轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機進行發(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，會影響到對波浪能的吸收效率，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 安裝平臺設計

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，非常適合用來作為安裝該裝置的安裝平臺。安裝平臺雙體船設計簡圖見第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上。安裝平臺上緊貼滑軌兩側(cè)分別安裝有液壓油箱和液壓馬達箱，二者又通過安裝平臺上的液壓管道連通。這樣就構成了一個完整的液壓回路。液壓馬達一側(cè)布置發(fā)電機組以及其他一些輔助設備。產(chǎn)生的電能通過雙體船拖拽的海底電纜輸送至岸上。如果要在遠海發(fā)電，則將電能儲存在蓄電池中，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。在一年中適合發(fā)電的時間里可以移動至目標海域工作，其他時間則回廠維修保養(yǎng)。遭遇破壞性的大風浪時也可以移動至安全海域暫時躲避，提高了該裝置的可靠性。

3.4 齒輪換向增速箱的設計

一方面，由于在波浪力作用下，懸臂的擺動運動具有大扭矩、低轉(zhuǎn)速的特點，因此如果要帶動液壓泵正常工作，需要設計齒輪增速機構。另一方面，由于懸臂擺動具有雙向性，而液壓泵需要單向輸入，因此齒輪增速機構還需要具有換向功能。設計的齒輪換向增速箱具有這兩項功能，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，假設向上的箭頭代表順時針旋轉(zhuǎn)，向下的箭頭代表逆時針旋轉(zhuǎn)。

當輸入軸按圖6 所示方向逆時針旋轉(zhuǎn)時，由于軸2 的單向軸承只允許軸逆時針旋轉(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 傳導至輸出軸，輸出軸為逆時針旋轉(zhuǎn)。

當輸入軸按圖6 所示方向順時針旋轉(zhuǎn)時，由于軸1 的單向軸承只允許軸順時針旋轉(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 傳導至輸出軸，輸出軸仍然為逆時針旋轉(zhuǎn)，這就保證了輸出軸永遠做單向的轉(zhuǎn)動。

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

3.5 第二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設計

因為波浪運動的復雜性和不確定性，第一級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)捕獲的波浪能轉(zhuǎn)換成的機械能也是不穩(wěn)定、不連續(xù)的，所以需要通過第二級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（即液壓系統(tǒng)） 將不穩(wěn)定的機械能轉(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，提高發(fā)電效率。在發(fā)電機輸入軸勻速轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子受力可以由洛倫茲力計算。當液壓系統(tǒng)輸出恒壓并且液壓馬達輸出勻速時，由牛頓第二定律，液壓馬達輸出轉(zhuǎn)矩為恒定，與其輸出軸相連的發(fā)電機轉(zhuǎn)子所受阻力同樣恒定。若發(fā)電機內(nèi)部磁場恒定，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也是恒定的，產(chǎn)生的動生電動勢也是恒定的。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)電機產(chǎn)生的電能。為穩(wěn)定液壓系統(tǒng)輸出壓強，該設計采取三級穩(wěn)壓的形式。

第一級是三相供油泵。波浪能捕獲裝置將波浪運動的機械能轉(zhuǎn)換成關節(jié)處旋轉(zhuǎn)運動的機械能，而這些機械能又可以經(jīng)過加速器輸送到油泵中，使油泵動作，輸送油液。假設波浪是正弦波，通過結構設計，將每一條線上的捕獲裝置設置成3 個，每波浪的相位120°放置一個。這樣液壓系統(tǒng)的輸出壓強為三相中的最高壓[5]。

第二級為能量轉(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。

第三級是補油。在主油路中使用蓄能器在實際中已經(jīng)有了比較多的運用?？紤]到這一結構尚存在的缺陷，在極端情況下穩(wěn)壓性能較差，該設計采用了一種新式的液壓系統(tǒng)，增加了一條補油油路。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，帶動補油泵動作，將油液存入蓄能器；如果波浪較小，蓄能器壓力低于設定的系統(tǒng)最低壓力，在壓力差的作用下，插裝閥會開啟，補油路中的蓄能器里的油液會流入主油路中，補充壓力，直到壓力達到最低值。

4 發(fā)電系統(tǒng)的設計

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

選用同步發(fā)電機作為發(fā)電裝置。投入并聯(lián)進行的調(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，將勵磁繞組通過適當?shù)碾娮瓒探樱挥迷瓌訖C把發(fā)電機拖動到接近同步速（相差2%~5%）；在沒有接通勵磁電流的情況下，將發(fā)電機接入電網(wǎng)；再接通勵磁并調(diào)節(jié)勵磁強弱，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 結束語

該設計結合浮子式和筏式波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)點，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，除浮子外，增速箱、液壓系統(tǒng)、發(fā)電機組等部件均不與海水直接接觸，減少了腐蝕，便于維護人員維修和護理，并提高了對極端氣候的抵抗能力；創(chuàng)新設計了新式的液壓系統(tǒng)，在利用較少的器件和簡單的回路設計的情況下，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。

該設計在現(xiàn)有懸臂結構浮子式波浪能發(fā)電裝置的基礎上，創(chuàng)新地將懸臂支架設計為可隨波浪運動上下浮動的結構，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擺角，從而顯著提高了浮子式波浪能發(fā)電裝置對波浪能的捕獲效率。