收稿日期：2022-08-15

基金項(xiàng)目：國家海洋可再生能源專項(xiàng)資金（GHME2018SF02）；國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（U20A20106）

通信作者：彭愛武（1964—），女，博士、研究員，主要從事新型發(fā)電及動(dòng)力技術(shù)方面的研究。pengyan@mail.iee.ac.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1229 文章編號：0254-0096（2023）12-0381-12

摘 要：從波浪能發(fā)電能量轉(zhuǎn)換過程出發(fā)，梳理動(dòng)力輸出系統(tǒng)與波浪能發(fā)電裝置及其各部分的協(xié)同作用關(guān)系，并通過不同類型動(dòng)力輸出系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和工作過程歸納技術(shù)特點(diǎn)，列舉對應(yīng)的典型波浪能發(fā)電裝置實(shí)例，探討動(dòng)力輸出系統(tǒng)及波浪能發(fā)電裝置存在的問題并展望未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：海洋能；波浪能發(fā)電裝置；動(dòng)力輸出系統(tǒng)；工作原理；研究進(jìn)展

中圖分類號：P743.2 """"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

波浪能是一種儲(chǔ)量大、綠色清潔、可持續(xù)利用的高品位海上可再生能源，世界波浪能資源儲(chǔ)量為29500 TWh/a［1］，可滿足當(dāng)前全球電力需求。中國波浪能儲(chǔ)量為1600萬kW［2］，具備規(guī)?；_發(fā)利用的條件。海洋波浪能開發(fā)利用對解決能源危機(jī)、島嶼用電及通訊、資源有序開發(fā)利用、海洋環(huán)境污染防治、生物多樣性保護(hù)、海洋監(jiān)測等領(lǐng)域的電力供應(yīng)問題意義重大，可有力促進(jìn)中國海洋可持續(xù)發(fā)展及權(quán)益維護(hù)，對中國實(shí)施“海洋強(qiáng)國”和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要推動(dòng)作用。波浪能發(fā)電裝置（wave energy converter，WEC）實(shí)用化需具備整機(jī)高效、高可靠性及經(jīng)濟(jì)性屬性。其中，動(dòng)力輸出（power take-off，PTO）系統(tǒng)，又名動(dòng)力攝取系統(tǒng)，是波浪能發(fā)電裝置的重要組成部分［3］，與裝置結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行性能、可維護(hù)性及經(jīng)濟(jì)可行性等密切相關(guān)。

國內(nèi)外介紹波浪能發(fā)電裝置的文獻(xiàn)較多，但鮮見對PTO技術(shù)的梳理?；诖?，本文針對波浪能發(fā)電裝置各類型PTO系統(tǒng)，通過基本結(jié)構(gòu)和工作過程分析并歸納技術(shù)特點(diǎn)，列舉對應(yīng)的典型波浪能發(fā)電裝置實(shí)例，探討目前PTO系統(tǒng)發(fā)展存在的主要問題并展望未來發(fā)展趨勢。

1 波浪能發(fā)電能量轉(zhuǎn)換過程

在各國財(cái)政支持下，波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，但技術(shù)類型分散，尚未進(jìn)入收斂期［4］。波浪能發(fā)電裝置一般由三級能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)構(gòu)成［5-6］，如圖1所示。第一級，即波浪能俘獲環(huán)節(jié)，利用封閉空間壓縮空氣將波浪能轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)能、或利用

波浪聚集將波浪能轉(zhuǎn)換成水勢能、或利用物體升沉或搖擺運(yùn)動(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓能或機(jī)械能［3］，分別對應(yīng)振蕩水柱式、越浪式和振蕩體式，其中振蕩體式包括振蕩浮子式（點(diǎn)吸收式）、擺式、鴨式和筏式等。第二級，也稱中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，包括空氣透平、水輪機(jī)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)將波浪能俘獲環(huán)節(jié)獲得的氣動(dòng)能、水勢能、液壓能、機(jī)械能等轉(zhuǎn)換成與發(fā)電系統(tǒng)匹配的能量形式。第三級，即發(fā)電環(huán)節(jié)，一般采用常規(guī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)；而采用新型電機(jī)，如直線發(fā)電機(jī)［7］或磁流體發(fā)電機(jī)［8］，俘獲系統(tǒng)可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無復(fù)雜的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

2 不同類型的PTO系統(tǒng)

波浪能發(fā)電裝置第二級和第三級能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)合稱為PTO系統(tǒng)，分為氣動(dòng)式、液動(dòng)式、液壓式、機(jī)械傳動(dòng)式、直驅(qū)式等（詳見圖1），另外還包括新涌現(xiàn)的壓電式［9］、摩擦納米發(fā)電式［10］等類型。PTO系統(tǒng)與波浪能發(fā)電裝置及其他子系統(tǒng)的協(xié)同作用關(guān)系概括如下：1）一般某種類型PTO系統(tǒng)與一種或幾種特定形式的波浪能俘獲系統(tǒng)耦合，如氣動(dòng)式PTO系統(tǒng)匹配氣室結(jié)構(gòu)，形成振蕩水柱式裝置。2）PTO結(jié)構(gòu)形式、復(fù)雜度、體積及質(zhì)量等直接關(guān)系波浪能發(fā)電裝置的布置方式以及檢修和維護(hù)難易程度，與裝置建造及運(yùn)維成本密切相關(guān)。3）波浪能發(fā)電裝置整機(jī)轉(zhuǎn)換效率是三級能量轉(zhuǎn)換效率的乘積，第二級和第三級構(gòu)成的PTO系統(tǒng)是裝置實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。4）波浪能俘獲系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)PTO系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的同時(shí)PTO系統(tǒng)阻尼力反作用于俘獲系統(tǒng)，即PTO阻尼特性是影響波浪能裝置第一級轉(zhuǎn)換效率（即俘獲寬度比）的關(guān)鍵因素之一。5）PTO系統(tǒng)輸出電能需經(jīng)電力電子變換系統(tǒng)，將其轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)或儀器設(shè)備匹配的穩(wěn)定電能，變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略及轉(zhuǎn)換效率等與PTO系統(tǒng)輸出電能形式及品質(zhì)息息相關(guān)。6）波浪能具有間歇性、波動(dòng)性、季節(jié)性等特點(diǎn)，其幅值和周期隨機(jī)性強(qiáng)，全工況下PTO系統(tǒng)高效、高可靠運(yùn)行是降低波浪能發(fā)電裝置平準(zhǔn)化度電成本（levelized cost of energy，LCOE）的關(guān)鍵。

綜上所述，PTO系統(tǒng)具備高效、可靠、高容錯(cuò)、少維護(hù)甚至免維護(hù)等特點(diǎn)尤其重要。

2.1 氣動(dòng)式PTO系統(tǒng)

振蕩水柱式裝置如圖2所示，采用氣動(dòng)式PTO系統(tǒng)，裝置第一級能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為氣室，氣室下部與海水相通，上部的空氣一般通過噴嘴或者氣管與外部大氣連通，氣室有固定式和漂浮式，漂浮式又分中心管式和后彎管式；氣動(dòng)式PTO系統(tǒng)則主要由空氣透平及同軸連接的發(fā)電機(jī)構(gòu)成。波浪作用使氣室內(nèi)水柱往復(fù)振蕩，帶動(dòng)內(nèi)部空氣增減壓并形成往復(fù)氣流，驅(qū)動(dòng)空氣透平轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。氣動(dòng)式PTO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不與海水直接接觸，從而避免了大作用力及力矩的直接沖擊，可靠性及生存能力顯著提高，且維護(hù)方便；另外，固定振蕩水柱裝置無結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)，漂浮式也為單浮體技術(shù)，無結(jié)構(gòu)物與支撐平臺(tái)的相對運(yùn)動(dòng)，這也大大提高了可靠性及生存能力，被認(rèn)為是目前波浪能利用最具前景的技術(shù)之一［11］。其主要問題是空氣透平效率低。

傳統(tǒng)單向空氣透平與往復(fù)氣流匹配性差，可采用單向閥整流，但存在閥門系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難等問題［12］。采用自整流空氣透平（如圖3所示），包括：威爾斯（Wells）透平、沖動(dòng)式（impulsed）透平、丹尼斯（Denniss-Auld）透平，可解決上述問題。威爾斯透平為對稱翼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，且轉(zhuǎn)子前后設(shè)置對稱導(dǎo)葉，因此其扭矩可不受氣流方向影響，結(jié)構(gòu)簡單且成本低［13］，在氣動(dòng)式波浪能裝置中得到廣泛應(yīng)用，但存在流速范圍窄、啟動(dòng)性差、噪聲大等固有局限［14］，尤其其離心應(yīng)力較大，且過高的葉片速度在高海況下也會(huì)受到限制。沖動(dòng)式透平克服了威爾斯透平的不足，其轉(zhuǎn)子為內(nèi)圓弧及外橢圓葉形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉為雙排圓弧光滑連接成的葉形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比威爾斯透平更低，葉片離心應(yīng)力更小，寬流量范圍內(nèi)效率較平穩(wěn)，吸收波浪能具有一定優(yōu)勢［15］。目前，具有大出流面積固定導(dǎo)葉類型和隨氣動(dòng)力矩可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉類型的沖動(dòng)式透平效率均可達(dá)到65%［16］；另外，通過軸向移除下游導(dǎo)葉減小流動(dòng)損失可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。丹尼斯透平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與威爾斯透平相似，區(qū)別是轉(zhuǎn)子葉片具有隨氣室壓力調(diào)節(jié)交錯(cuò)角的能力［17］。后兩種透平轉(zhuǎn)子及導(dǎo)葉可調(diào)節(jié)，但也因其頻繁運(yùn)動(dòng)而易損壞，目前難以實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)電機(jī)是所有類型PTO系統(tǒng)的重要組成部分，然而實(shí)際應(yīng)用的發(fā)電機(jī)一般選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，性能分析也等效為線性阻尼并假定其效率為100%。例如，在振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置中，開發(fā)人員對裝置水動(dòng)力特性、透平性能及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面關(guān)注較多，而關(guān)于發(fā)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。波浪能具有間歇性及隨機(jī)波動(dòng)性，它體現(xiàn)在波浪幅值和周期上，又由于中國總體波能功率密度較低，因此提升電機(jī)低海況響應(yīng)及其寬工況運(yùn)行范圍內(nèi)的平均轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。同時(shí)，海洋環(huán)境下透平和發(fā)電機(jī)組自身旋轉(zhuǎn)也隨浮體多自由度隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，透平轉(zhuǎn)輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸承及聯(lián)軸器等承受高陀螺力［18］，因此提升PTO系統(tǒng)強(qiáng)動(dòng)態(tài)下抗沖擊載荷能力是提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵，且海洋環(huán)境中電機(jī)防潮、防霉、防鹽霧等級提升也不能忽視。另外，通過電機(jī)與透平的協(xié)同控制也可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤［19］。綜上所述，對氣動(dòng)式波能轉(zhuǎn)換用發(fā)電機(jī)有轉(zhuǎn)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好、滿載和輕載效率高、過載能力強(qiáng)、維護(hù)方便等獨(dú)特要求。

各類型波浪能發(fā)電裝置在極端海況或高海況下均有過載的風(fēng)險(xiǎn)，過載保護(hù)是波浪能發(fā)電裝置研發(fā)及試驗(yàn)過程中不可忽視的內(nèi)容，各類型裝置通用方法包括：系統(tǒng)停機(jī)下潛或拖航至安全位置以躲避極端情況，或者通過機(jī)械限位和調(diào)節(jié)以及阻尼負(fù)載控制等方法［20］盡可能減少波浪能量吸收以降低結(jié)構(gòu)物碰撞頻率并保護(hù)PTO系統(tǒng)。其中，氣動(dòng)式裝置在高海況條件下可結(jié)合氣室減壓釋能降低裝置載荷來減少能量吸收，以防止透平發(fā)電機(jī)組過載，通過負(fù)載匹配等手段也可在一定程度上調(diào)節(jié)氣流速度并避免透平發(fā)電機(jī)組過載或失速。

針對氣動(dòng)式PTO系統(tǒng)，亟待開發(fā)適用于氣動(dòng)式波能轉(zhuǎn)換的全工況運(yùn)行高效、可靠、緊湊、供電性能良好且便于控制的空氣透平和發(fā)電機(jī)機(jī)組。

2.2 液動(dòng)式PTO系統(tǒng)

液動(dòng)式PTO系統(tǒng)多應(yīng)用于越浪式波浪能發(fā)電裝置中，如圖4所示，裝置第一級能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是帶有收縮波道的蓄水池，分為固定式和漂浮式；液動(dòng)式PTO系統(tǒng)主要由水輪機(jī)和旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)成，兩者可直接連接也可通過變速箱連接?；竟ぷ髟硎遣ɡ私?jīng)收縮波道爬升后聚集于高位蓄水池內(nèi)，與海平面形成水頭差，也即將不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的水體勢能，達(dá)到發(fā)電要求時(shí)釋放水體驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

液動(dòng)式PTO系統(tǒng)一般采用低水頭軸流式水輪機(jī)，其已成熟應(yīng)用于水力發(fā)電系統(tǒng)中，包括定槳式水輪機(jī)和轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。定槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片與輪轂剛性連接，結(jié)構(gòu)簡單且造價(jià)低，但只能利用導(dǎo)水機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)出力，最優(yōu)效率區(qū)窄，應(yīng)用受到一定限制。轉(zhuǎn)槳式以卡普蘭（Kaplan）水輪機(jī)為例，如圖5a所示，其轉(zhuǎn)輪葉片可與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)并保持有利組合位置［21］，使其寬運(yùn)行范圍內(nèi)效率均較高，達(dá)90%以上［22］。但卡普蘭水輪機(jī)造價(jià)高，轉(zhuǎn)輪葉片及導(dǎo)葉頻繁運(yùn)動(dòng)易損壞。如果越浪式裝置蓄水池較大，水體出流的峰均功率比小，則液動(dòng)式PTO系統(tǒng)可在較窄轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行并獲得較高效率［23］，此時(shí)的轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉無需頻繁大范圍運(yùn)動(dòng)。越浪式波浪能發(fā)電裝置因蓄水池的蓄能作用避免了隨機(jī)波動(dòng)的波浪能直接作用于水輪發(fā)電機(jī)組，通過蓄水池釋水工況與水輪發(fā)電機(jī)組工況的匹配設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)過載幾率。

越浪式波浪能發(fā)電裝置第一級能量轉(zhuǎn)換因無活動(dòng)部件而具有較高的穩(wěn)定性及可靠性，但存在大作用力水流沖擊密封件和閥門等問題［14］。另外，固定式裝置對地形要求高，性能受潮差影響大；而漂浮式裝置能量利用率高且受潮差影響?。?4］，但尺寸大、系泊困難、抗浪能力弱 ［25］。

液動(dòng)式PTO系統(tǒng)也可應(yīng)用于振蕩體式裝置中，一般由振蕩浮體、加速管、活塞、軟管、水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。其中，常采用高水頭沖擊式水輪機(jī)（如Pelton水輪機(jī)），如圖5b所示?；谝簞?dòng)式PTO系統(tǒng)的振蕩體式裝置基本工作原理是浮體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)活塞在加速管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)海水通過軟管進(jìn)入水輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電［26］，之后海水再排回大海，形成開環(huán)循環(huán)系統(tǒng)。

針對液動(dòng)式PTO系統(tǒng)，需對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水輪機(jī)、閥門和密封件等部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效和高可靠運(yùn)行。

2.3 液壓式PTO系統(tǒng)

典型液壓式PTO系統(tǒng)主要由液壓缸、蓄能器、液壓馬達(dá)及旋轉(zhuǎn)電機(jī)構(gòu)成，還包括低壓油箱、閥門及管路等，并在振蕩體式裝置中應(yīng)用廣泛。如圖6所示，以垂蕩浮體為第一級能量轉(zhuǎn)換的典型機(jī)構(gòu)舉例，浮體隨波浪往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過連桿帶動(dòng)活塞進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓缸泵出高壓油并儲(chǔ)存在蓄能器中，蓄能器壓力不斷升高，達(dá)到釋放壓力時(shí)釋放液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)連續(xù)發(fā)電，壓力降至關(guān)閉壓力，停止發(fā)電并進(jìn)入下一輪蓄能過程。若波況較好，蓄能器壓力維持在關(guān)閉壓力之上，發(fā)電機(jī)組可連續(xù)發(fā)電，否則發(fā)電機(jī)組間歇發(fā)電。

液壓式PTO系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)、相位控制、整流及發(fā)電等機(jī)構(gòu)的不同組合形成多種類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［27］，如圖7所示，已由最簡單基礎(chǔ)布局的Ⅰ類型，發(fā)展到可采取液壓閉鎖控制調(diào)節(jié)相位提高波能利用率的Ⅳ類型、陣列閥組離散控制的Ⅴ型和Ⅵ型，以及液壓泵控制實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定液壓油輸出的Ⅶ型和Ⅷ型。盡管液壓式PTO系統(tǒng)存在多種類型，但都具有共同的優(yōu)點(diǎn)，即：適合收集不穩(wěn)定的低頻、大作用力波浪能并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的液壓能儲(chǔ)存［28］，再通過集中發(fā)電提高輸出電能品質(zhì)［29］，有利于功率變換系統(tǒng)研制；也可將波浪能俘獲系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)解耦以提高可靠性；便于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，大浪時(shí)可通過加載液壓負(fù)載降低吸波浮體運(yùn)動(dòng)幅度以減少其與裝置本身的碰撞概率［30］，并可進(jìn)一步通過溢流閥穩(wěn)壓溢流保證系統(tǒng)工作在安全壓力范圍內(nèi)；另外，其調(diào)節(jié)方便、造價(jià)低。然而，液壓式PTO系統(tǒng)也存在以下缺點(diǎn)：存在液壓油泄露風(fēng)險(xiǎn)［31］，同時(shí)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁閥組及控制系統(tǒng)在海洋環(huán)境中可靠性差且維修保養(yǎng)困難；而且，間歇發(fā)電增加液壓馬達(dá)機(jī)械損耗、過飽和溢流閥卸壓導(dǎo)致能量流失、低海況蓄能困難等實(shí)際情況均會(huì)影響其在全工況條件下的能量轉(zhuǎn)換效率。

針對液壓式PTO系統(tǒng)，需加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)全工況條件下高效、高可靠的蓄能及發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制，包括：提高電磁閥控系統(tǒng)海洋環(huán)境下可靠性、低海況條件下提高液壓系統(tǒng)蓄能能力、高海況條件下拓展高壓油存儲(chǔ)能力和發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力、高可靠免維護(hù)控制系統(tǒng)研制及新算法控制策略研究等。

2.4 機(jī)械傳動(dòng)式PTO系統(tǒng)

機(jī)械傳動(dòng)式PTO系統(tǒng)主要由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)構(gòu)成，如圖8所示。通常與振蕩體式能量俘獲系統(tǒng)耦合，基本原理是振蕩體在波浪作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過齒輪和齒條、滾珠絲杠、飛輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將往復(fù)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

典型齒輪和齒條機(jī)構(gòu)如圖9a所示，齒條隨浮子往復(fù)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)小齒輪雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過設(shè)置單向軸承將其轉(zhuǎn)換成單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可通過齒輪箱加速進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電［32］。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)如圖9b所示，浮子運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過護(hù)鐵與磁體的磁耦合帶動(dòng)內(nèi)部絲杠螺母上下運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)［33］。飛輪機(jī)構(gòu)如圖9c所示，一般密封于浮子內(nèi)部，浮子松弛系泊并隨波浪往復(fù)縱搖，帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)并在陀螺儀效應(yīng)下產(chǎn)生扭矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電［34］。上述雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均可通過機(jī)械整流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械傳動(dòng)式PTO系統(tǒng)與氣動(dòng)式、液動(dòng)式及液壓式PTO系統(tǒng)的區(qū)別在于無需經(jīng)歷中間氣動(dòng)能、水勢能或液壓能轉(zhuǎn)換，俘獲系統(tǒng)捕獲波浪能后直接通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，其中齒條和齒輪機(jī)構(gòu)理想效率高達(dá)97%［26］。但是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)承受往復(fù)波浪作用，機(jī)械可靠性降低；另外，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在海洋高潮濕、高鹽霧環(huán)境下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，存在壽命短、維護(hù)困難、不易控制［35］等問題。

針對機(jī)械傳動(dòng)式PTO系統(tǒng)，開展海洋特殊環(huán)境下機(jī)械傳動(dòng)特性及其對環(huán)境適應(yīng)性的研究尤為重要，包括研究和篩選抗腐蝕材料、傳動(dòng)元件表面防腐涂層處理等。

2.5 直驅(qū)式PTO系統(tǒng)

直驅(qū)式PTO系統(tǒng)多應(yīng)用于振蕩浮子式裝置中，浮體在波浪作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)并直接驅(qū)動(dòng)線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。與上述4種PTO系統(tǒng)相比，直接驅(qū)動(dòng)減少了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，不僅可提高裝置從波至電的總轉(zhuǎn)換效率，還可使裝置結(jié)構(gòu)更緊湊，同時(shí)大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度和運(yùn)行維護(hù)成本［36］。但直驅(qū)式PTO系統(tǒng)研究起步晚，關(guān)鍵技術(shù)有待突破。直驅(qū)式PTO系統(tǒng)主要包括直線電機(jī)式和磁流體式。

2.5.1 直線電機(jī)式

直線電機(jī)式PTO系統(tǒng)如圖10所示，主要由定子和線性運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子構(gòu)成。通過浮體帶動(dòng)剛性連接的動(dòng)子發(fā)生相對于定子的直線運(yùn)動(dòng)而發(fā)電。目前應(yīng)用在波浪能發(fā)電領(lǐng)域的直線電機(jī)主要包括感應(yīng)式電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。感應(yīng)式電機(jī)通過動(dòng)子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，其中磁場與動(dòng)子速度不同步，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低且易于控制的特點(diǎn)，在風(fēng)力和水力發(fā)電中普遍應(yīng)用［37-38］，而波浪能發(fā)電則在非直驅(qū)式PTO系統(tǒng)中采用旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)電機(jī)較多，直線感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用較少［39］。直線感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率低，與隨機(jī)波動(dòng)的波浪同步性差，雖然可外接勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，但電機(jī)運(yùn)行故障風(fēng)險(xiǎn)增大［36］。

永磁同步直線電機(jī)如圖11所示，可產(chǎn)生較高的推力密度，低速運(yùn)動(dòng)也可實(shí)現(xiàn)相對較高的能量轉(zhuǎn)換效率。永磁同步直線電機(jī)無需勵(lì)磁繞組，一般在動(dòng)子上布置永磁體并且波浪可直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)更緊湊，在波浪發(fā)電領(lǐng)域中研究廣泛。但永磁體長期在海洋環(huán)境中易出現(xiàn)退磁和銹蝕等現(xiàn)象［40］。

開關(guān)磁阻直線電機(jī)如圖12所示，動(dòng)子上無繞組和永磁體，遵循“最小磁阻原理”運(yùn)行，通過直流開關(guān)控制定子勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)發(fā)電，可將波浪能轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電能。其中，定子采用集中繞組，各相繞組獨(dú)立運(yùn)行，單相故障切除后電機(jī)仍可繼續(xù)運(yùn)行，適合波浪能發(fā)電惡劣的工作環(huán)境。綜上，開關(guān)磁阻直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高且易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

直線電機(jī)式PTO系統(tǒng)欲達(dá)到一定功率等級必須產(chǎn)生大推力及高電流，但這受制于定子繞組磁飽和以及發(fā)熱，又由于波浪驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)子和定子相對速度不大，因此直線電機(jī)式PTO系統(tǒng)一般規(guī)模較大且造價(jià)相對較高；同時(shí)，動(dòng)子和定子間吸力大，給軸承及支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制帶來了不小挑戰(zhàn)［7］；另外，入射波能量波動(dòng)性強(qiáng)，而直驅(qū)式波浪能發(fā)電裝置對波浪頻譜特性比較敏感，小于設(shè)計(jì)海況的低海況條件下電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率低下，且高海況條件下系統(tǒng)易過載，需開展長時(shí)間跨度波浪不穩(wěn)定情況下的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及穩(wěn)定運(yùn)行控制方法研究，研制過載能力強(qiáng)的直線電機(jī)，并通過浮子限位等方法最大程度保護(hù)直線電機(jī)系統(tǒng)。而且，直線發(fā)電機(jī)負(fù)載不夠時(shí)會(huì)形成運(yùn)行自阻力，產(chǎn)生頓挫，除了優(yōu)化設(shè)計(jì)小定位力的直線發(fā)電機(jī)來減小電磁力波動(dòng)及可能帶來的噪聲和共振［41］，還可通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的整流直流側(cè)充電電流來改變電機(jī)電磁阻力，適應(yīng)波動(dòng)的波浪能。

針對直線電機(jī)式PTO系統(tǒng)，需重點(diǎn)關(guān)注全工況高效性、緊湊性、散熱性、支撐系統(tǒng)可靠性等方面，同時(shí)考慮并驗(yàn)證線性機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)增速的可行性。

2.5.2 磁流體式

磁流體波浪能發(fā)電利用波浪作用力直接驅(qū)動(dòng)流體發(fā)電工質(zhì)在磁場中線性往復(fù)切割磁力線發(fā)電。一類直接以海水為發(fā)電工質(zhì)，但因其低電導(dǎo)率致使電機(jī)功率密度較低［42］；另一類間接利用液態(tài)金屬為發(fā)電工質(zhì)，具有的高電導(dǎo)率可大大提高功率密度，是研究人員的關(guān)注焦點(diǎn)［8］。

基于磁流體式PTO系統(tǒng)的波浪能系統(tǒng)如圖13所示，主要由水面垂蕩浮體、磁體、磁流體通道及液態(tài)金屬等構(gòu)成。水面浮體隨波浪做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直接帶動(dòng)液態(tài)金屬切割磁力線發(fā)電。其中，可采用永磁體也可采用超導(dǎo)磁體。采用變截面過渡段可實(shí)現(xiàn)流體加速進(jìn)而提高功率密度，而無需機(jī)械加速機(jī)構(gòu)［43］。圖14為基于永磁體的液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)布置圖。該發(fā)電機(jī)阻尼特性與波浪低頻、低速、往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性匹配較好，使波浪能發(fā)電系統(tǒng)具有高效、緊湊、運(yùn)行控制簡單及模塊化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。而且，采用低密度和高電導(dǎo)率發(fā)電工質(zhì)對提高電機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)換效率以及提高俘獲寬度比優(yōu)勢明顯。另外，中國海域波能功率密度低，磁流體式PTO系統(tǒng)啟動(dòng)性能好，適合在中國低海況條件下運(yùn)行。但波浪直接驅(qū)動(dòng)的液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)輸出與波浪同頻的低電壓、高電流交流電［44］，需采用電力電子變換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)或儀器設(shè)備匹配的穩(wěn)定電能。另外，直驅(qū)式磁流體波浪能發(fā)電系統(tǒng)可通過改進(jìn)的爬山法并結(jié)合自適應(yīng)等效負(fù)載調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤［45］，同理通過調(diào)節(jié)等效負(fù)載改變電磁阻力可在一定程度上參與過載保護(hù)工作。

針對磁流體式PTO系統(tǒng)，需開展低密度、高電導(dǎo)率發(fā)電工質(zhì)制備及篩選、高效高可靠磁流體發(fā)電通道設(shè)計(jì)以及低電壓高電流功率變換系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。

3 典型波浪能發(fā)電裝置

歐美國家沿岸波浪能資源較好，波浪能技術(shù)研發(fā)起步早，各類技術(shù)得到了迅速和充分發(fā)展。中國波浪能開發(fā)起步晚，但在國家科技攻關(guān)“863”計(jì)劃，尤其在“國家海洋可再生能源專項(xiàng)資金”和“國家自然科學(xué)基金”支持下，波浪能技術(shù)得到了較好發(fā)展。部分典型裝置如圖15所示。

早期實(shí)海況測試裝置多為固定振蕩水柱式裝置，典型代表有蘇格蘭500 kW的LIMPET電站，其PTO系統(tǒng)由威爾斯透平和感應(yīng)電機(jī)組成，采用調(diào)速飛輪實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)［46］。西班牙的Mutriku電站［47］則首次與防波堤結(jié)合（圖15a），16個(gè)氣室均配備0.75 m直徑威爾斯透平和18.5 kW電機(jī)，2011年7月啟運(yùn)至2021年11月，發(fā)電量達(dá)2.4 GWh［48］。而后彎管漂浮式裝置因結(jié)構(gòu)簡單、俘獲寬度比高、成本低等優(yōu)點(diǎn)而受到重視，以O(shè)E Buoy為例（圖15b），已于2011年完成1∶4比例樣機(jī)（20 kW）3.5 a實(shí)海況測試，期間首先采用威爾斯透平，后更換為沖動(dòng)式透平［49］；目前，500 kW原型機(jī)已運(yùn)抵夏威夷等待實(shí)海況測試［50］。國內(nèi)典型裝置包括中科院廣州能源所2001年在汕尾建造的100 kW岸式裝置［51］、上世紀(jì)80年代商業(yè)化投產(chǎn)的BD系列微型振蕩水柱航標(biāo)燈［52］以及近期實(shí)海況試驗(yàn)的1 kW后彎管式自航船“梵凈號”［53］等。

基于液動(dòng)式PTO系統(tǒng)的固定越浪式裝置代表為挪威350 kW［54］的Tapchan。Wave Dragon為漂浮式結(jié)構(gòu)，采用卡普蘭水輪機(jī)和永磁電機(jī)且無變速箱，大大減小了運(yùn)行噪聲和能量損失，可靠性和成本均有保證。根據(jù)不同海域海況，原型機(jī)設(shè)計(jì)裝機(jī)4～10 MW不等，圖15c為在Nissum Bredning進(jìn)行海試的1∶4.5比例樣機(jī)［55］。雖然液動(dòng)式PTO系統(tǒng)可靠性高且維護(hù)方便，但越浪式裝置受選址及系泊等限制而發(fā)展緩慢。國內(nèi)中國海洋大學(xué)［56］開展過碟形越浪式裝置研究。另外，AquaBuOY（圖15d）是振蕩體與液動(dòng)式PTO系統(tǒng)結(jié)合的代表［57］。

液壓式PTO系統(tǒng)因能量傳遞平穩(wěn)、調(diào)節(jié)方便而被廣泛應(yīng)用。Pelamis是筏式俘能系統(tǒng)結(jié)合液壓式PTO系統(tǒng)的代表（圖15e），第Ⅰ代和Ⅱ代裝置分別于2004年和2010年完成了實(shí)海況測試，其由多節(jié)浮筒鉸接構(gòu)成，浮筒隨波浪垂蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)，鉸接軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)而發(fā)電。筏式裝置理想效率高，但系泊困難［58］。中國波浪能裝置大多采用液壓式PTO系統(tǒng)，以中國科學(xué)院廣州能源所鷹式裝置為代表，其在鴨式裝置基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，吸波浮體似鷹嘴［59］。大浪時(shí)蓄能系統(tǒng)移峰填谷并平滑液壓功率及壓力波動(dòng)；小浪時(shí)儲(chǔ)能并間斷發(fā)電。發(fā)電機(jī)組可根據(jù)波浪功率自動(dòng)匹配并分級啟動(dòng)，保證高效能量轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定電力輸出［28］。圖15f為100 kW的鷹式“萬山號”實(shí)海況運(yùn)行畫面，最大發(fā)電功率達(dá)128 kW［60］。目前，單機(jī)500 kW的“長山號”和“舟山號”正在進(jìn)行實(shí)海況試驗(yàn)。另外，中國山大Ⅰ號［61］、海院Ⅰ號［62］、海靈號［63］及海洋技術(shù)中心擺式裝置［64］等也采用液壓式PTO系統(tǒng)。

機(jī)械傳動(dòng)式PTO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且傳動(dòng)效率高，但因其海洋環(huán)境下壽命短使其發(fā)展受到制約。意大利學(xué)者利用紡紗飛輪陀螺儀效應(yīng)研制的ISWEC（Inertial Sea，IS）裝置較著名［34］（圖15g），PTO系統(tǒng)由飛輪和電機(jī)構(gòu)成并密封于浮子內(nèi)，現(xiàn)已由2009年的1∶45比例樣機(jī)發(fā)展到100 kW全尺度樣機(jī)。國內(nèi)集美大學(xué)研制漂浮式平臺(tái)“集大Ⅰ號”，采用機(jī)械傳動(dòng)式PTO系統(tǒng)，裝機(jī)容量10 kW，實(shí)海況最大功率達(dá)3.6 kW［35］。

采用直線電機(jī)式PTO的典型代表為荷蘭的阿基米德裝置（AWS）（圖15h），主要由固定于海底并密封有永磁直線電機(jī)的下浮筒和隨波浪上下運(yùn)動(dòng)的上浮筒構(gòu)成。初期的幾次海試均未成功，在解決密封及水下安裝問題后，于2004年在葡萄牙成功海試，裝機(jī)2.0 MW并于同年10月成功并網(wǎng)［7，65］。國內(nèi)中國科學(xué)院廣州能源所2011年主持完成了中國首座10 kW基于直線電機(jī)的波能裝置（哪吒Ⅰ號）成功投放發(fā)電，最高發(fā)電功率達(dá)7.17 kW［66］。東南大學(xué)等單位也提出漂浮直驅(qū)波浪能發(fā)電系統(tǒng)，并開展了基于Halbaech永磁結(jié)構(gòu)的新型圓筒直線電機(jī)研究［67］。

采用磁流體式PTO系統(tǒng)的典型代表為中國科學(xué)院電工研究所研制的10 kW樣機(jī)“電工Ⅰ號”，其于2015年在萬山島開展了實(shí)海況測試（圖15i），在小海況條件下發(fā)電功率2.3 kW［68］，測試結(jié)果驗(yàn)證了其良好的低海況響應(yīng)特性。另外，磁流體式PTO系統(tǒng)也可與筏式波浪能俘獲系統(tǒng)結(jié)合發(fā)電［69］。上海海洋大學(xué)［70］則通過優(yōu)化磁體結(jié)構(gòu)形式開發(fā)了一種柔性磁流體波浪能發(fā)電裝置。

雖然大部分裝置已在世界各地海試，但基本存在生存性、可靠性以及高效轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定供能等方面的問題。目前，中國波浪能技術(shù)轉(zhuǎn)換效率及單機(jī)功率已與國際先進(jìn)水平持平，但總體規(guī)模偏小，生存性和可靠性與國際先進(jìn)水平存在差距。波浪能技術(shù)快速發(fā)展及實(shí)現(xiàn)商業(yè)化須重點(diǎn)解決如下問題：1）惡劣環(huán)境裝置生存及穩(wěn)定運(yùn)行，包括抗臺(tái)風(fēng)、抗腐蝕等共性技術(shù)等；2）高效俘獲和能量轉(zhuǎn)換，包括提升波浪能俘獲、PTO系統(tǒng)以及功率變換各環(huán)節(jié)效率等；3）穩(wěn)定高品質(zhì)電能供應(yīng)，包括自動(dòng)控制、微型供電網(wǎng)絡(luò)及可再生能源穩(wěn)定并網(wǎng)技術(shù)等。

4 PTO系統(tǒng)發(fā)展建議

針對不同海域特點(diǎn)、波浪能技術(shù)特點(diǎn)及裝機(jī)和用電要求，選擇或設(shè)計(jì)合適類型的PTO系統(tǒng)對裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行至關(guān)重要，這直接關(guān)系到裝置可靠性、轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟(jì)可行性。建議中國PTO系統(tǒng)開發(fā)朝如下方向發(fā)展：

1） 海洋波浪能以大作用力、低頻、低速、往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式存在，而研究人員一般選擇固定型號的旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為發(fā)電系統(tǒng)，其與波浪運(yùn)動(dòng)特性不匹配，必須采用一定中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，帶來轉(zhuǎn)換效率低、控制復(fù)雜、運(yùn)維困難等問題，波浪能大規(guī)模開發(fā)利用受到限制。建議創(chuàng)新攻關(guān)適合波浪能轉(zhuǎn)換的高效高可靠PTO系統(tǒng)。

2）因地制宜地開發(fā)適合中國海洋環(huán)境的波浪能發(fā)電技術(shù)。中國大部分技術(shù)模仿國外，而中國海域平均年波能功率密度不到6 kW/m［71］，僅為歐洲的1/10，低海況海域裝置啟動(dòng)或高效運(yùn)行存在一定困難。另外，中國海上臺(tái)風(fēng)及極端天氣頻發(fā)，生存及可靠性需重點(diǎn)關(guān)注。亟待開發(fā)適合中國低海況啟動(dòng)且全工況高效的波能俘獲系統(tǒng)、配套PTO系統(tǒng)及功率跟蹤和負(fù)載匹配系統(tǒng)，尤其重視研制兼顧低海況和抵御臺(tái)風(fēng)等極端海洋環(huán)境的波能裝置。

3）進(jìn)行縮比樣機(jī)長時(shí)間實(shí)驗(yàn)室及實(shí)海況測試。波浪能利用正從工程示范到商業(yè)運(yùn)行的關(guān)鍵過渡階段，裝置可靠性、穩(wěn)定性和生存能力差一直是制約其快速發(fā)展的主要阻礙。中國進(jìn)入海洋能領(lǐng)域較晚，相關(guān)基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)不足，裝置實(shí)海況試驗(yàn)需頻繁維護(hù)甚至返廠加工，導(dǎo)致研發(fā)成本增加及相關(guān)技術(shù)停滯發(fā)展。為驗(yàn)證裝置性能及可靠性，大量測試流程必不可少。建議開展長時(shí)間實(shí)驗(yàn)室及海上的縮比樣機(jī)測試，尤其重視PTO系統(tǒng)及控制系統(tǒng)可靠性測試以及冗余評估和設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

發(fā)展海洋波浪能對解決能源危機(jī)、生態(tài)環(huán)境及氣候變化等問題意義重大。動(dòng)力輸出（PTO）系統(tǒng)是波浪能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，本文梳理了PTO系統(tǒng)與波能裝置及其各部分的協(xié)同作用關(guān)系，綜述了氣動(dòng)式、液動(dòng)式、液壓式、機(jī)械傳動(dòng)式、直驅(qū)式PTO系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作過程及特點(diǎn)，指出各類型PTO系統(tǒng)存在的問題及需重點(diǎn)攻關(guān)的方向。列舉了國內(nèi)外典型波能裝置并綜合分析了實(shí)海況試驗(yàn)存在的問題，在此基礎(chǔ)上，提出PTO系統(tǒng)發(fā)展建議。存在的主要問題及發(fā)展建議概括如下：

1）各類波能裝置在能量俘獲、動(dòng)力輸出上各有特色，但能量轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)多、效率低、控制復(fù)雜、運(yùn)維困難，根本原因在于常規(guī)采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的PTO系統(tǒng)與波浪低速、大作用力的低頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性匹配不佳。

2）中國波能功率密度低，并伴有臺(tái)風(fēng)等極端海況，而低海況條件下大部分裝置很難啟動(dòng)或者高效運(yùn)行，又需要經(jīng)受極端海況的考驗(yàn)。

3）克服小波不發(fā)電、大波易損壞的瓶頸問題，提高波能利用小時(shí)數(shù)，須開發(fā)兼顧中國低海況及抵御臺(tái)風(fēng)等極端環(huán)境的波浪能俘獲系統(tǒng)、配套PTO系統(tǒng)及功率跟蹤和負(fù)載匹配系統(tǒng)，并開展長時(shí)間實(shí)驗(yàn)室或?qū)嵑r測試。

4）高效、緊湊、結(jié)構(gòu)簡單及高穩(wěn)定性的PTO系統(tǒng)是未來波浪能發(fā)電裝置實(shí)用化及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

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RESEARCH PROGRESS OF PTO SYSTEM FOR WAVE

ENERGY CONVERTER

Liu Yanjiao1，Peng Aiwu1，2，Huang Mingye1，2

（1. Institute of Electrical Engineering， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；

2." University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：The power take-off （PTO） system is a crucial component of the wave energy converter. This paper first describes the interaction and cooperation mechanism between PTO system and other components from the perspective of energy conversion process. Then the technological features of various PTO system types， together with their fundamental constructions and operating principles， are summarized. Examples of the typical wave energy converters are listed. The existing problems of PTO system and wave energy converter are discussed and the future development trend is forecasted.

Keywords：ocean energy； wave energy converter； power take-off system； working principle； research progress