范朝暉，張亞群，李顯豪4，葉 寅

液壓式波浪能發(fā)電技術研究現(xiàn)狀及展望*

范朝暉1,2,3，張亞群2,3,?，李顯豪2,3,4，葉 寅2,3

（1. 沈陽化工大學 機械與動力工程學院，沈陽 110142；2. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；3.中國科學院可再生能源重點試驗室，廣州 510640；4. 中國科學技術大學，合肥 230026）

液壓式波浪能發(fā)電技術因成熟度高、輸出穩(wěn)定，是目前發(fā)展較好的波浪能發(fā)電技術之一。介紹了液壓式波浪能發(fā)電裝置的三大元件和液壓式波浪能發(fā)電系統(tǒng)最新的研究進展，提出了液壓式波浪能發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)階段存在的不足，展望了液壓式波浪能發(fā)電技術未來的發(fā)展趨勢。

波浪能；動力攝取系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)

0 引 言

中國海洋國土面積有近300萬km2，面積巨大，海洋蘊藏巨大能量，實際可開發(fā)量較高。海洋能的利用歷史很悠久，中國波浪能利用技術研究始于1968年的波浪能動力船舶[1]。早期的波浪能發(fā)電裝置（wave energy converter, WEC）功率較小，經(jīng)過不斷地研究和發(fā)展，技術在不斷積累和進步[2]，裝置多種多樣，產(chǎn)生了一大批大功率實驗樣機和預商用波浪能發(fā)電站。

波浪能發(fā)電技術按照動力傳動形式劃分，可分為機械式、氣壓式、液力式和液壓式四種。機械式是將捕獲的波浪能直接驅動機械齒輪或連桿驅動發(fā)電機轉換為機械能，如美國的“miniWEC”裝置[3]。氣壓式是通過波浪推動氣室內的空氣來推動空氣透平進行發(fā)電，較為著名的有蘇格蘭的“LIMPET”電站[4]。液力式通過將波浪的動能轉換為海水的勢能，驅動水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，具有代表性的為挪威“Tapchan”波浪能發(fā)電站[5]。液壓式是將俘獲的波浪能轉換為高壓液壓能，驅動液壓馬達帶動發(fā)電機發(fā)電，較為先進的有中國科學院廣州能源研究所的500 kW波浪能發(fā)電裝置“舟山號”[6]。

在上述四種形式的波浪能發(fā)電技術中，液壓式通過蓄能系統(tǒng)可將不穩(wěn)定的波浪能吸收后轉換為平穩(wěn)可使用的電能，具有移峰填谷、裝機功率大、輸出穩(wěn)定等優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，液壓式波浪能發(fā)電裝置已實現(xiàn)了實海況長期平穩(wěn)運行，為遠海島礁提供了清潔可持續(xù)能源，是目前波浪能發(fā)電技術中應用最為廣泛、成熟度較高的技術。

各國針對液壓式波浪能發(fā)電技術都有研究。英國研制的Pelamis波浪能發(fā)電裝置[7]，當裝置隨波浪做上下或左右運動時，圓通間的液壓缸被拉伸和壓縮，由于鉸接處缸體結構和液壓系統(tǒng)都受到較大力矩，容易產(chǎn)生磨損。芬蘭的WaveRoller擺式波浪能裝置[8]采用上擺結構，液壓系統(tǒng)沉于海底，易被腐蝕。英國的Salter’s Duck裝置[9]由于可靠性不高，沒有繼續(xù)深入研究。丹麥Wave Star公司的點吸收式波浪能發(fā)電裝置[10]，通過波浪帶動吸波浮子上下運動，帶動液壓缸進行發(fā)電。我國也對液壓式波浪能發(fā)電裝置進行了大量研究，中國科學院廣州能源研究所在鴨式波浪能發(fā)電裝置的基礎上，設計一種形似鷹頭的吸波浮體[11]，結合半潛船作為主體，液壓發(fā)電系統(tǒng)作為能量轉換系統(tǒng)，發(fā)電效率和功率都處于世界一流水平。

本文從液壓式波浪能發(fā)電裝置的組成入手，介紹發(fā)電裝置的關鍵元件技術，總結國內外液壓式波浪能發(fā)電裝置的研究現(xiàn)狀，最后分析現(xiàn)階段液壓式波浪能發(fā)電技術存在的不足，并提出相應的建議。

1 液壓式波浪能發(fā)電裝置的組成

按照能量轉換過程，液壓式波浪能發(fā)電裝置可分為三級：第一級為波浪能俘獲系統(tǒng)，其作用是通過浮體把波浪能轉化為浮體的機械能；第二級為液壓式動力攝取（power take-off, PTO）系統(tǒng)，其作用是將吸波浮體往復的機械能通過液壓缸轉換為液壓油的液壓能再通過液壓馬達輸出機械能；第三級為發(fā)電轉換系統(tǒng)，其作用是通過液壓馬達帶動發(fā)電機發(fā)電，供負載使用。液壓式動力攝取系統(tǒng)主要由四個關鍵元件組成，分別為液壓缸、蓄能器、液壓控制系統(tǒng)和液壓馬達。

1.1 液壓缸

液壓缸是將液壓能轉換為機械能做往復直線運動或擺動運動的執(zhí)行元件，主要應用于建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)等領域。

目前國內外研究熱點聚焦于如何提高液壓缸的效率，主要有調節(jié)活塞有效作用面積和減小缸壁與活塞之間的摩擦力兩種方式。涂福泉等[12]根據(jù)荷葉結構設計出了一種多腔液壓缸，可調節(jié)液壓缸的活塞面積控制液壓缸輸出力的大小，如圖1所示。鄭圓圓等[13]研究了不同拋光工藝對使用陶瓷材料液壓缸的密封和摩擦匹配性能影響規(guī)律。

圖1 多腔式液壓缸原理圖（修改自文獻[12]）

液壓缸用于波浪能發(fā)電裝置，是對液壓缸的一種新的應用方式。目前，研究人員正在進行根據(jù)海面波浪的大小調節(jié)液壓缸活塞面積[14]以達到最優(yōu)發(fā)電效果方面的研究。

1.2 蓄能器

蓄能器是一種常見的能量儲存裝置，能在適當時機將系統(tǒng)的能量進行儲存和釋放，當系統(tǒng)受到較大壓力沖擊時，也能緩解沖擊，保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

海上波浪能發(fā)電不穩(wěn)定，蓄能系統(tǒng)是關鍵儲能環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)移峰填谷的作用，從而提高裝置的整體發(fā)電效率。當前，蓄能器的蓄能密度[15]也是波浪能發(fā)電技術中的重點研究對象。

為提高蓄能密度，可通過在壓縮皮囊內加入如氮氣等[16]特殊氣體，或者改變蓄能器結構。改變蓄能器結構方向上，VEN DE VEN[17]提出了新型的恒壓液壓蓄能器，其原理如圖2所示，當液壓油進入蓄能器后隔膜面積變大，容積比變大，該恒壓蓄能器的能量密度比傳統(tǒng)蓄能器能量密度提高16%。ZHAO等[18]設計了一種采用凸輪機構的恒壓蓄能器，如圖3所示，其能量密度比常規(guī)蓄能器提高了16%。

圖2 活塞面積隨行程變化的蓄能器（修改自文獻[17]）

圖3 凸輪體式蓄能器（修改自文獻[18]）

1.3 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)以流體為媒介，通過精確控制系統(tǒng)的流量以實現(xiàn)最優(yōu)輸出功率。液壓控制系統(tǒng)分為電子機械式和液壓機械式兩種，前者通過壓力流速等傳感器控制電磁閥門啟閉，后者沒有電子元器件，完全利用液壓元件控制系統(tǒng)運行。

海洋環(huán)境復雜，波浪能瞬息萬變，傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)無法滿足較好的控制效果。國內多個研究團隊提出了新的液壓控制系統(tǒng)設計方案。宋瑞銀等[19]通過實海況和實驗測試驗證了壓力流量比例閥開口控制方式的可行性。呂沁等[20]通過調節(jié)馬達的排量實現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出。岳旭輝等[21]通過比例調速閥和減壓閥開度的調節(jié)來改變液壓蓄能系統(tǒng)的流量和壓力，實現(xiàn)自適應高效提取海洋波浪能。高紅等[22]采用模糊比例積分（proportional-integral, PI）控制，基于轉速誤差對變量馬達進行排量控制，實現(xiàn)液壓馬達轉速穩(wěn)定輸出。姜家強等[23]研發(fā)了一種液壓自治控制器，基于該控制器的液壓控制系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)油壓控制系統(tǒng)主閥的開關和浪況大小實現(xiàn)0?1發(fā)電，該系統(tǒng)在多個波浪能發(fā)電裝置的實海況試驗中獲得了良好的效果。

1.4 液壓系統(tǒng)整體設計

針對波浪能液壓發(fā)電系統(tǒng)的整體設計，目前出現(xiàn)了多種不同的設計方案，每種設計方案都有其各自的優(yōu)點。下面對最新的液壓系統(tǒng)整體設計進行分別介紹。

宋瑞銀等[19]研究以雙體船為實驗平臺的液壓發(fā)電系統(tǒng)。平臺通過振蕩浮子與雙體船主體的相對運動來拉伸和壓縮液壓缸的雙腔進行做功，其發(fā)電原理如圖4所示，該平臺通過液壓換向橋路將液壓缸的雙腔接入油路，實現(xiàn)液壓缸的有桿腔和無桿腔交替做功。通過實時調節(jié)比例伺服閥的開口度，實現(xiàn)平臺穩(wěn)定的輸出功率。該液壓系統(tǒng)設計針對小功率發(fā)電系統(tǒng)具有良好的實驗效果。

圖4 雙體船式液壓發(fā)電系統(tǒng)（修改自文獻[19]）

陳坤鑫等[24]設計了一種小型液壓發(fā)電系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)將液壓油箱、液壓缸等多個液壓元件進行了一體化集成，使用液壓缸有桿腔連接液壓系統(tǒng)，液壓缸無桿腔連接大氣，該設計減小了液壓缸的回復阻力，使吸波浮子對波浪運動具有很好的響應，助力于波浪能液壓發(fā)電系統(tǒng)的小型化。該液壓系統(tǒng)已被應用于小型波浪能發(fā)電裝置“海星”系列[25]。

圖5 千瓦級小型液壓式波浪能裝置能量轉換系統(tǒng)（修改自文獻[24]）

劉穎昕等[26]設計的液壓系統(tǒng)將雙向液壓缸集成在波浪能供電浮標浮筒內部，浮筒主體通過錨鏈與海底固定，其原理如圖6所示?；诓ɡ说纳舷逻\動，浮體和浮筒產(chǎn)生相對運動，從而帶動液壓缸，將波浪能轉化為液壓能用于發(fā)電。該系統(tǒng)中的液壓缸兩端均為有桿腔，同時參與能量轉換。液壓缸與波浪能裝置結構的集成，使裝置結構簡單、安全可靠，成本低，有效延長了裝置的使用壽命。

圖6 浮筒式波浪能液壓發(fā)電裝置（修改自文獻[26]）

岳旭輝等[21]對一種擺式液壓PTO系統(tǒng)進行了研究，其原理如圖7所示，擺式液壓PTO是通過擺體末端齒輪帶動連接液壓缸的齒條從而帶動液壓缸的運動，齒輪齒條帶動液壓缸的活塞桿同步運動，當擺體隨著波浪向上時，下部液壓缸的無桿腔壓油帶動液壓馬達轉動，同時上端液壓缸從油箱吸油，擺體下擺時則相反。該裝置能夠實現(xiàn)擺體在上下運動過程中液壓油持續(xù)做功，通過調節(jié)比例調速閥和溢流閥來實現(xiàn)輸出功率恒定。此種設計的優(yōu)點是液壓缸連接擺板，而擺板可以通過增大面積來實現(xiàn)受力面積的增加，擺板跟隨波浪可以形成較大的力矩，發(fā)電功率較大，可以作為擺式波浪能發(fā)電站來使用。

圖7 擺式波浪能液壓發(fā)電裝置原理圖（修改自文獻[21]）

呂沁等[20]研制了一種波浪能液壓發(fā)電平臺“海院1號”，其原理如圖8所示。在平臺與三根樁腿的連接處有四對液壓缸組對稱分布，油缸組與平臺固定，三根樁腿與海面交界處有浮體，浮體連接波浪板，液壓缸無桿腔內部有彈簧，通過波浪板的齒頂來壓縮液壓缸，當波浪板的齒根對應液壓缸時，由于無桿腔中彈簧的存在，可以使得液壓缸自行伸出，并吸取油箱中的油液準備下一次循環(huán)。在液壓缸中加入彈簧配合蓄能器能更好地達到平穩(wěn)波浪沖擊的效果，可為波浪能液壓發(fā)電系統(tǒng)的設計提供借鑒。蔡年琪等[27]基于“海院1號”液壓式波浪能發(fā)電裝置，針對蓄能穩(wěn)壓方面進行了優(yōu)化，設計了一種含有兩套蓄能器和液壓馬達的液壓發(fā)電系統(tǒng)，在小浪情況下啟動定量馬達和對應的蓄能器；在大浪情況下啟動變量液壓馬達和對應的蓄能器，在交替工作的模式下實現(xiàn)了電能的穩(wěn)定輸出。

圖8 “海院1號”波浪能發(fā)電裝置原理圖（修改自文獻[20]）

2 液壓式波浪能發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀

液壓式波浪能發(fā)電裝置具有裝機容量大、波浪適應性好等優(yōu)點，各國紛紛展開研究。下面對這些液壓式波浪能發(fā)電裝置進行分類，并介紹最新的研究成果。

2.1 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置

振蕩浮子波浪能發(fā)電裝置原理為波浪帶動裝置的吸波浮體做上下運動，并與主體產(chǎn)生相對運動，液壓缸連接浮子，另一端連接主體，通過壓縮和拉伸液壓缸進行發(fā)電。其優(yōu)勢是能夠做到裝機容量大，但仍存在發(fā)電能力受季節(jié)影響較大的問題，可采用多能互補來改善。例如中國科學院廣州能源研究所自主研發(fā)的鷹式波浪能發(fā)電裝置[11]，目前已經(jīng)建成了10 ～ 500 kW多個型號裝置，并成功開展了實海況運行，如圖9為500 kW波浪能發(fā)電裝置“舟山號”[6]。裝機容量1 MW的裝置正在建造中，是目前中國在建裝機容量最大的波浪能發(fā)電裝置。

圖9 鷹式裝置“舟山號”[11]

2.2 擺式波浪能發(fā)電裝置

擺式波浪能發(fā)電裝置通過波浪帶動擺體運動捕獲波浪能，液壓缸兩端分別連接擺體和波浪能發(fā)電裝置的主體。大部分上擺式波浪能發(fā)電裝置采用液壓系統(tǒng)，液壓缸全部浸沒于海水之中，對液壓系統(tǒng)的防腐要求較高。擺式液壓波浪能發(fā)電裝置的原理較為簡單，安裝難度不大，但對建設的選址要求較高，特別是離岸式維護成本較高，在海洋惡劣條件下容易被海水侵蝕和海洋生物附著，需要進一步優(yōu)化。該裝置適合在頻率低、推力大的海況下工作。

中國國家海洋技術中心于2012年研發(fā)100 kW浮力擺式波浪能發(fā)電裝置[28]，在山東省即墨市大管島進行海試運行。芬蘭AW-Energy公司于2019年在葡萄牙佩尼切海域布放了首臺350 kW擺式波浪能發(fā)電裝置WaveRoller[29]，如圖10所示，并實現(xiàn)了并網(wǎng)測試。樊后朋等[30]通過Matlab/Simulink進行仿真研究，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)活塞存在最優(yōu)面積，使得擺式波浪能發(fā)電裝置在給定海況下發(fā)電量最大。

圖10 芬蘭AW-Energy公司擺式波浪能發(fā)電裝置[29]

2.3 筏式波浪能發(fā)電裝置

筏式波浪能發(fā)電裝置通過相鄰兩塊浮體的鉸接相對運動驅動液壓缸進行拉伸和壓縮，從而捕獲波浪能。筏式波浪能發(fā)電裝置的特點是能夠通過前端和后端兩條錨鏈，連接多個筏式波浪能發(fā)電裝置來同時發(fā)電，優(yōu)點是多條筏式波浪能發(fā)電裝置并網(wǎng)發(fā)電可形成海上波浪能發(fā)電廠。該類型裝置需要較高的結構強度，缸體在鉸接處所受到的力矩較大，容易產(chǎn)生位移和磨損。

2015年，中國船舶重工集團710研究所的“海龍”一號[31]項目通過測試，最高發(fā)電功率達到10 kW。英國海浪能源有限公司自2012年以來一直致力于開發(fā)“Waveline Magnet”浮動波浪能設備[32]，2022年8月在海上開展了原型測試，如圖11所示。梁娜等[33]設計了一種基于筏式波浪能轉換系統(tǒng)的摩擦納米耦合系統(tǒng)，并進行仿真研究。

圖11 英國“Waveline Magnet”筏式波浪能發(fā)電裝置[32]

2.4 點吸收式波浪能發(fā)電裝置

點吸收式液壓波浪能發(fā)電系統(tǒng)主要通過上端浮體與水中阻尼裝置的相對運動，通過壓縮液壓缸實現(xiàn)將浮體捕獲的機械能轉換為液壓系統(tǒng)的液壓能并進行發(fā)電。相對其他類型的波浪液壓發(fā)電系統(tǒng)而言，點吸收式波浪能發(fā)電裝置的特點是可以做到小型化，工程周期較短，模塊化程度較高，結構簡單且穩(wěn)定性較好。

2015年，中國海洋大學研制了10 kW波浪能發(fā)電裝置“海靈號”[34]并進行了實海況運行。丹麥的Wave Star公司對正在研究的波浪能發(fā)電裝置[10]進行了實海況測試，其裝置如圖12所示。史宏達等[35]對浮子參數(shù)進行了理論研究。

圖12 丹麥的Wave Star點吸收式波浪能發(fā)電裝置[10]

3 液壓式波浪能發(fā)電技術優(yōu)化趨勢分析

液壓式波浪能發(fā)電技術雖然已經(jīng)發(fā)展了多年，在多個行業(yè)中得到廣泛應用。但是，在波浪能發(fā)電行業(yè)中，目前仍有很多技術有待優(yōu)化：

（1）優(yōu)化蓄能穩(wěn)壓技術。需要從蓄能器體積及安全系數(shù)兩個方面著手。縮小蓄能器體積，提高蓄能密度，延長其使用壽命。

（2）提升液壓發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境友好性。液壓發(fā)電系統(tǒng)目前采用的工質為液壓油，一旦泄漏，將對海洋生態(tài)環(huán)境造成很大的影響。亟需研制一種新型的可使用海水作為工質的液壓缸，或是提高液壓系統(tǒng)的密封技術，確保液壓油無泄漏的風險。

（3）優(yōu)化系統(tǒng)關啟設計。液壓系統(tǒng)關閉及啟動瞬間產(chǎn)生的沖擊，極易導致液壓元件及管路等機械部件的損壞和松弛，對裝置的整體安全性埋下了較大隱患，不利于實現(xiàn)裝置的無人值守。需要進一步優(yōu)化液壓系統(tǒng)的結構設計，盡量減小或消除系統(tǒng)關閉及啟動產(chǎn)生的不利影響。

（4）減少管路能量損耗。針對液壓式波浪能發(fā)電的管路設計形式多樣，但是目前設計的重點集中于如何提高及實現(xiàn)主要元器件的高安全性、高效性，很少關注系統(tǒng)中液壓管路的能量損耗，對管路設計及阻力的優(yōu)化不足。

（5）控制液壓馬達排量，實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。在海洋環(huán)境復雜、波浪能瞬息萬變的情況下對液壓系統(tǒng)控制非常重要。可以通過系統(tǒng)壓力來控制液壓馬達排量實現(xiàn)發(fā)電機發(fā)電功率的穩(wěn)定輸出。

4 結 論

液壓式波浪能發(fā)電裝置因其裝機容量大，隨波適應性好，適應實海況波浪能量大、頻率低的特點，是一種較好的波浪能發(fā)電技術，國內外紛紛開展研究，對于液壓式波浪能發(fā)電裝置的設想多種多樣，經(jīng)過長期研究發(fā)展，很多方案已經(jīng)建成并完成了實海況實驗，取得了較好的成果。但大規(guī)模商業(yè)化應用仍然面臨許多問題，例如發(fā)電成本高、裝置壽命短以及獨立運行維護成本較高等問題。在當前能源危機越發(fā)嚴重和低碳發(fā)展日益被國際重視的情況下，液壓式波浪能發(fā)電系統(tǒng)作為利用海上清潔能源方式的一種，是一個需要大力發(fā)展的研究課題，有望推動全球能源結構優(yōu)化。

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Research Status and Prospect of Hydraulic Wave Energy Power Generation Technology

FAN Zhaohui1,2,3, ZHANG Yaqun2,3,?, LI Xianhao2,3,4, YE Yin2,3

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China;2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;4. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Hydraulic wave power generation technology is one of the well-developed wave power generation technologies due to its high maturity and stable output. This paper introduces the three major mechanisms of hydraulic wave energy generation device and the latest research of hydraulic wave energy generation system. The shortcomings of the hydraulic wave energy generation system at this stage are proposed.The future development trend of hydraulic wave power generation technology is prospected.

wave energy; power take-off; hydraulic system

2095-560X（2023）04-0388-07

TK7；TM612

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.04.012

2023-04-06

2023-05-04

國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFD2401201）

張亞群，E-mail：zhangyq@ms.giec.ac.cn

范朝暉, 張亞群, 李顯豪, 等. 液壓式波浪能發(fā)電技術研究現(xiàn)狀及展望[J]. 新能源進展, 2023, 11(4): 388-394.

： FAN Zhaohui, ZHANG Yaqun, LI Xianhao, et al. Research status and prospect of hydraulic wave energy power generation technology[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(4): 388-394.

范朝暉（1995-），男，碩士研究生，主要從事液壓式波浪能動力攝取系統(tǒng)設計和利用研究。

張亞群（1981-），女，博士，副研究員，碩士生導師，主要從事波浪能開發(fā)及利用技術研究。