商繼昌,鄧子偉,王博涵,張保成

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院 機(jī)電工程系,山東 青島 266100)

0 引 言

海上風(fēng)能和波浪能是2類重要的海洋可再生能源，其能流密度大、分布廣、開采技術(shù)較成熟，并可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用[1]。中國東部沿海地區(qū)海洋能資源豐富，許多地區(qū)非常適合海洋能開發(fā)[2]，但單一種類海洋能源的開采存在輸出功率不穩(wěn)定、能量利用率低等缺點(diǎn)，而海上風(fēng)能與波浪能在時(shí)間與空間上具有互補(bǔ)性，實(shí)現(xiàn)2種能源的協(xié)同耦合發(fā)電可明顯降低輸出功率的波動(dòng)性[3]。隨著世界各國對(duì)海洋可再生能源的不斷重視，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)海上風(fēng)能與波浪能聯(lián)合發(fā)電的耦合方式展開研究[4]，并提出采用電器元件、液壓元器件或機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)兩股能量進(jìn)行耦合的方案。

采用電器元件進(jìn)行能量耦合是2個(gè)系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，然后通過整流模塊對(duì)電流進(jìn)行耦合：GAO等[5]在發(fā)電機(jī)后端設(shè)計(jì)一種整流回路將電能平穩(wěn)耦合在一起；FIASCHI等[6]將波浪能轉(zhuǎn)換裝置、風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置、太陽能轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生的直流電通過1個(gè)變頻逆變器耦合到一起，通過壓縮機(jī)儲(chǔ)存壓縮空氣來儲(chǔ)存電能；謝嘉等[7]設(shè)計(jì)互補(bǔ)能源變換電路，并利用DC-DC斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定輸出。采用液壓元器件進(jìn)行能量耦合是通過控制液壓回路實(shí)現(xiàn)兩股液壓油匯合到一起實(shí)現(xiàn)能量耦合：王向志[8]將風(fēng)機(jī)與浮子俘獲的能量轉(zhuǎn)化為液壓能，再通過液壓元件將兩股油路匯為一路，并經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作；石茂順等[9]采用壓力傳感器與電磁換向閥實(shí)現(xiàn)兩股油路的交替交匯，有效降低2個(gè)能量捕獲子系統(tǒng)的消極耦合作用；WANG等[10]通過力矩疊加器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能和波浪能兩種能量的耦合，并通過控制變量電機(jī)的排量降低消極耦合的影響。采用機(jī)械機(jī)構(gòu)亦可進(jìn)行能量耦合：WU等[11]采用棘輪機(jī)構(gòu)和增補(bǔ)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與波浪能的疊加和混合，該耦合方式結(jié)構(gòu)簡單且牢固可靠，但耦合效率還需要進(jìn)一步提高；陳廣慶等[12]設(shè)計(jì)一套以行星差動(dòng)輪系進(jìn)行能量耦合的方案，并借助MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了方案的可行性。

采用電器元件進(jìn)行能量耦合雖然可實(shí)現(xiàn)功率的平穩(wěn)輸出，但由于所用電器元件眾多、電路布置復(fù)雜，且電力在傳輸過程中發(fā)熱嚴(yán)重，因此能量損失較大。采用純液壓方式進(jìn)行能量耦合會(huì)因?yàn)閮晒筛邏河偷闹苯訁R合產(chǎn)生極大的消極耦合影響，發(fā)電效率低，且液壓管路維護(hù)成本高。采用純機(jī)械方式對(duì)兩股能量進(jìn)行傳輸耦合會(huì)因?yàn)榍岸瞬东@功率的波動(dòng)使系統(tǒng)中的剛性構(gòu)件產(chǎn)生較大的沖擊載荷，極大地降低系統(tǒng)壽命。

為進(jìn)一步提高風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能量耦合效率和發(fā)電穩(wěn)定性，結(jié)合當(dāng)前耦合方式存在的不足，本文提出一種新型機(jī)-液差速耦合式風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電方案，該方案利用液壓傳輸與機(jī)械耦合各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的高效耦合。為驗(yàn)證該方案的可行性，通過AMESim二次開發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建該差速齒輪機(jī)構(gòu)的子模型，并構(gòu)建整機(jī)仿真模型，通過校驗(yàn)差速齒輪機(jī)構(gòu)的輸出特性，驗(yàn)證該機(jī)-液差速耦合方案的可行性，以期為風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電提供一種新的能量高效耦合模式。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

所提出的差速耦合式風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電方案采用差速行星齒輪機(jī)構(gòu)對(duì)兩股能量進(jìn)行耦合，以提高整體系統(tǒng)的能量捕獲效率，通過液壓元器件進(jìn)行能量的調(diào)節(jié)和傳輸，以降低能量傳輸過程中的波動(dòng)與損耗。圖1為差速耦合式風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的組成及工作原理，該系統(tǒng)共包括4個(gè)子系統(tǒng)：風(fēng)能捕獲子系統(tǒng)、波浪能捕獲子系統(tǒng)、差速耦合子系統(tǒng)和終端發(fā)電子系統(tǒng)。

注：1.行星齒輪；2.半軸齒輪；3.行星齒輪；4.半軸齒輪；5.殼體大齒輪；6.液壓電機(jī)；7.柱塞式液壓泵；8.精濾清器；9.風(fēng)機(jī)葉輪；10.溢流閥；11.囊式蓄能器；12.發(fā)電機(jī)；13.從動(dòng)錐齒輪；14.囊式蓄能器；15.精濾清器；16.單向閥；17.雙作用液壓缸；18.雙作用液壓缸；19.雙作用液壓缸；20.油箱；21.溢流閥；22.液壓電機(jī)

在風(fēng)能捕獲子系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)葉輪9的主軸與液壓泵7的主軸通過聯(lián)軸器連接，風(fēng)機(jī)葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)液壓泵主軸旋轉(zhuǎn)，從而將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為液壓能，液壓電機(jī)8的輸出軸與半軸齒輪1的齒輪軸相連，液壓電機(jī)6在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給半軸齒輪4，從而將風(fēng)能捕獲子系統(tǒng)中的液壓能轉(zhuǎn)化成差速耦合子系統(tǒng)的機(jī)械能。波浪能捕獲子系統(tǒng)包括優(yōu)化后的圓柱形浮子[13]，3個(gè)浮子布置的間距各為1/3個(gè)波長，在波浪的驅(qū)動(dòng)下，浮子帶動(dòng)與之相連的液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，持續(xù)為高壓回路供入液壓油，液壓電機(jī)22的輸出軸與半軸齒輪2的齒輪軸相連，液壓電機(jī)22在旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)半軸齒輪2以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而將波浪能傳遞至差速耦合子系統(tǒng)中。差速耦合子系統(tǒng)由殼體大齒輪5、行星齒輪1與3、半軸齒輪4與2構(gòu)成周轉(zhuǎn)輪系，半軸齒輪4通過軸承與殼體大齒輪5安裝到一起，2個(gè)齒輪可實(shí)現(xiàn)相對(duì)于各自軸線的旋轉(zhuǎn)，行星齒輪1和3通過軸承安裝在殼體大齒輪5上，2個(gè)行星齒輪既可以實(shí)現(xiàn)繞殼體大齒輪5軸線的公轉(zhuǎn)，也可相對(duì)于各自軸線進(jìn)行自轉(zhuǎn)。半軸齒輪4與2分別將轉(zhuǎn)矩傳遞至行星齒輪1與3上，之后在殼體大齒輪5上進(jìn)行疊加。2個(gè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速差值會(huì)驅(qū)動(dòng)行星齒輪自轉(zhuǎn)，從而消除2個(gè)能量捕獲子系統(tǒng)之間的消極耦合影響。殼體大齒輪5通過與之嚙合的從動(dòng)錐齒輪13將耦合后的能量傳遞給終端發(fā)電子系統(tǒng)，由發(fā)電機(jī)12轉(zhuǎn)化為電能。

2 差速齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程建立

差速齒輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系如圖2所示。

圖2 差速齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)示例

由于所提差速齒輪機(jī)構(gòu)中行星齒輪1與行星齒輪3的動(dòng)力學(xué)特性時(shí)刻保持一致，為減少計(jì)算量，在建立差速齒輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)假設(shè)只有1個(gè)行星齒輪1。圖2中，A點(diǎn)為半軸齒輪4與行星齒輪1的嚙合點(diǎn)，B點(diǎn)為半軸齒輪2與行星齒輪1的嚙合點(diǎn)，設(shè)2個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)速度為VA和VB(假定VA

VA=ω4r4=ω0r0-ω1r1

(1)

VB=ω2r2=ω0r0+ω1r1

(2)

式(1)和式(2)中：ω4為半軸齒輪4角速度，rad/s；ω2為半軸齒輪2角速度，rad/s；ω1為行星齒輪1角速度，rad/s；ω0為殼體大齒輪角速度，rad/s；r4為半軸齒輪4分度圓半徑，m；r2為半軸齒輪2分度圓半徑，m；r1為行星齒輪1分度圓半徑，m；r0為殼體大齒輪與行星齒輪嚙合點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡半徑，m。

對(duì)于半軸齒輪4輸入轉(zhuǎn)矩T4有：

T4=FAr4

(3)

式中：FA為行星齒輪在嚙合點(diǎn)A處對(duì)半軸齒輪4的作用力，N。

對(duì)于半軸齒輪2輸入轉(zhuǎn)矩T2有：

T2=FBr2

(4)

式中：FB為行星齒輪在嚙合點(diǎn)B處對(duì)半軸齒輪2的作用力，N。

對(duì)于殼體大齒輪輸出轉(zhuǎn)矩T0有：

(5)

對(duì)于行星齒輪有：

(6)

(7)

聯(lián)立上述公式并代入化簡可得到半軸齒輪4、2的角速度：

(8)

(9)

3 風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型搭建

AMESim軟件自帶的模型庫已涵蓋相關(guān)領(lǐng)域常見的元器件模型[14]，但所提出的差速齒輪機(jī)構(gòu)與AMESim汽車庫與傳動(dòng)庫中的差速齒輪機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上差異較大，且接口數(shù)據(jù)傳輸邏輯難以適用，因此采用AMESet二次開發(fā)平臺(tái)，依據(jù)第2節(jié)所建立的差速齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)關(guān)系對(duì)所提出的差速齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行子模型開發(fā)與封裝，并與風(fēng)能捕獲子系統(tǒng)和波浪能捕獲子系統(tǒng)連接在一起，從而建立該新型風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。

3.1 差速齒輪機(jī)構(gòu)子模型搭建

在AMESet模塊下建立的差速齒輪機(jī)構(gòu)屬于機(jī)械零部件，接口類型為機(jī)械接口，如圖3所示。

圖3 差速齒輪子模型示例

端口1用于連接后端發(fā)電機(jī)，其中參數(shù)數(shù)量為3個(gè)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。端口2和端口3分別用于連接風(fēng)能捕獲子系統(tǒng)中液壓電機(jī)的輸出軸和波浪能捕獲子系統(tǒng)中液壓電機(jī)的輸出軸，相關(guān)參數(shù)如表2和表3所示。

表1 端口1參數(shù)設(shè)置

表2 端口2參數(shù)設(shè)置

表3 端口3參數(shù)設(shè)置

C語言求解過程的主程序?yàn)?/p>

#include

#include

#include

#include "ameutils.h"

#define _SUBMODELNAME_ "DIFFERENTIAL"

}

void differential_(int *n，double *T0，double *W0，double *W4

，double *T4，double *W2，double *T2，double *W1，double *W1dot)

{

/* Common-> SI units conversions.*/

*W0 *= 1.04719755119660e-01；

*W1 *= 1.04719755119660e-01；

/* >>>>>>>>>>>>Calculation Function Executable Statements.*/

*T0=(*T4)+(*T2)；

*W1dot=((*T4)-(*T2))*0.011/0.019/(0.0000242*2)；

*W4=(*W0)+(11/19)*(*W1)；

*W2=(*W0)-(11/19)*(*W1)；

/* <<<<<<<<<<<

/* SI-> Common units conversions.*/

*W0/= 1.04719755119660e-01；

*W2/= 1.04719755119660e-01；

*W1/= 1.04719755119660e-01；

*W1dot/= 1.04719755119660e-01；

}

3.2 風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

基于AMESim仿真平臺(tái)，集成風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、波浪能發(fā)電系統(tǒng)、差速齒輪機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)，連接相應(yīng)的端口，構(gòu)建該差速耦合式風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)整體仿真模型，如圖4所示。

圖4 風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

在該模型中，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)速數(shù)據(jù)由MATLAB/Simulink導(dǎo)入，并通過AMESim信號(hào)庫中1D表格模塊導(dǎo)入仿真模型中，波浪能發(fā)電系統(tǒng)由3個(gè)液壓缸活塞位移信號(hào)作為能量輸入。在進(jìn)行仿真時(shí)，2個(gè)發(fā)電子系統(tǒng)會(huì)分別向差速齒輪機(jī)構(gòu)子模型的端口2和端口3輸入轉(zhuǎn)矩信號(hào)，發(fā)電機(jī)亦向該子模型的端口1輸入轉(zhuǎn)矩信號(hào)，差速齒輪機(jī)構(gòu)子模型會(huì)根據(jù)內(nèi)部運(yùn)算程序分別計(jì)算半軸齒輪4、半軸齒輪2、行星齒輪1、行星齒輪3和殼體大齒輪5的轉(zhuǎn)速，并將相應(yīng)參數(shù)傳遞給2個(gè)發(fā)電子系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)，從而形成完整的數(shù)據(jù)流。

4 系統(tǒng)工作性能分析

為評(píng)估所提差速齒輪耦合方案的效能，選取已有的工程對(duì)象，即以20 kW為系統(tǒng)額定輸出功率，風(fēng)能、波浪能兩個(gè)子系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化功率分別為10 kW，以青島齋堂島西南海域?yàn)楣ぷ骱Ｓ?，平均風(fēng)速為10 m/s，水深為30 m，平均波高為0.6 m，波浪周期為3.3 s。匹配設(shè)計(jì)差速耦合子系統(tǒng)，其差速齒輪機(jī)構(gòu)主要參數(shù)如表4所示。

成語中名詞意動(dòng)用法的現(xiàn)象還有很多，比如“幕天席地”中的“幕”和“席”、“草木皆兵”中的“草”和“木”等，都是名詞的意動(dòng)用法，都可以按照“認(rèn)為賓語為謂語”的格式進(jìn)行解釋。

表4 差速齒輪機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

4.1 浮子及液壓系統(tǒng)運(yùn)行特性

浮子位移曲線如圖5所示，3個(gè)浮子的位移在前5秒內(nèi)快速達(dá)0.5 m，且在之后的時(shí)間內(nèi)基本在0.45～0.60 m垂蕩運(yùn)動(dòng)，這是由于浮子在剛受到波浪力時(shí)液壓回路內(nèi)的壓力小，浮子所受的PTO(Power-Take-Off)反力也很小。由圖5可知，對(duì)浮子布置位置進(jìn)行優(yōu)化使3個(gè)浮子運(yùn)動(dòng)位移存在一定的相位差，彌補(bǔ)單個(gè)浮子速度為零時(shí)高壓管路中流量為零的缺點(diǎn)，提高液壓系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性。

圖5 浮子運(yùn)動(dòng)位移

在液壓系統(tǒng)中2個(gè)蓄能器的氣囊體積變化如圖6所示。由圖6可知，在蓄能器系統(tǒng)啟動(dòng)之初，隨著液壓管路內(nèi)壓力逐漸增大，氣囊體積逐漸減小，且在第20 s左右進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。蓄能器11的氣囊體積小于蓄能器14的氣囊體積，這是因?yàn)?個(gè)液壓回路選用的液壓電機(jī)的排量不同，在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相近的情況下，排量大的一方系統(tǒng)的壓力越小。

圖6 蓄能器內(nèi)氣囊體積

4.2 差速齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行特性

圖7和圖8分別為半軸齒輪4和半軸齒輪2的轉(zhuǎn)速。

圖7 半軸齒輪4轉(zhuǎn)速

圖8 半軸齒輪2轉(zhuǎn)速

由圖7和圖8可知，2個(gè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度都比較大，半軸齒輪4和半軸齒輪2的平均轉(zhuǎn)速分別為132.5 r/min 和149.8 r/min。由式(8)和式(9)可知，2個(gè)半軸齒輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)性較大主要由2個(gè)半軸齒輪輸入力矩存在差異導(dǎo)致。

行星齒輪1和行星齒輪3的轉(zhuǎn)速如圖9所示。由圖9可知，行星齒輪的轉(zhuǎn)速存在較大的波動(dòng)性，且行星齒輪1和行星齒輪3的轉(zhuǎn)速與2個(gè)半軸齒輪的輸入轉(zhuǎn)矩的關(guān)系由式(7)給出，當(dāng)2個(gè)半軸齒輪的輸入轉(zhuǎn)矩存在差異時(shí)，行星齒輪便會(huì)自轉(zhuǎn)，并通過半軸齒輪4和半軸齒輪2的差速運(yùn)轉(zhuǎn)降低2個(gè)子系統(tǒng)的消極耦合影響。

圖9 行星齒輪轉(zhuǎn)速

殼體大齒輪的轉(zhuǎn)速如圖10所示。由圖10可知，殼體大齒輪平均轉(zhuǎn)速為141.2 r/min，介于2個(gè)半軸齒輪轉(zhuǎn)速之間，且存在一定的波動(dòng)性，但波動(dòng)性與2個(gè)半軸齒輪相比大幅降低，這是因?yàn)橥ㄟ^2個(gè)半軸齒輪的差速運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)2個(gè)半軸齒輪的輸入轉(zhuǎn)矩使殼體大齒輪所受轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定。在本方案中殼體大齒輪轉(zhuǎn)速的波動(dòng)特性即為終端電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動(dòng)特性。

圖10 殼體大齒輪轉(zhuǎn)速

4.3 系統(tǒng)輸出功率

系統(tǒng)的輸出功率由作用在發(fā)電機(jī)主軸上的轉(zhuǎn)矩與角速度相乘得到。如圖11所示，差速耦合發(fā)電系統(tǒng)的平均發(fā)電功率為18.4 kW，將輸出功率與目標(biāo)功率20 kW相比可得該系統(tǒng)的發(fā)電效率為92.0%，2個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)電總功率平均值為16.9 kW，發(fā)電效率僅84.5%?？梢娡ㄟ^差速齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行兩股能量耦合可使發(fā)電效率提高近7.5個(gè)百分點(diǎn)，且可有效抑制由浮子振蕩造成的發(fā)電功率高頻波動(dòng)。

圖11 差速耦合式風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率

5 結(jié) 論

針對(duì)海上風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能量耦合效率低、輸出功率不穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)一種采用差速齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)2種能量進(jìn)行耦合的方案，建立差速齒輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，在AMESet二次開發(fā)平臺(tái)上創(chuàng)建差速齒輪子模型，利用AMESim構(gòu)建風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)整體模型，并對(duì)該系統(tǒng)的能量耦合性能和發(fā)電波動(dòng)性進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過建模仿真和方案的可行性分析，所得結(jié)論如下：

(1) 該系統(tǒng)平均發(fā)電功率為18.4 kW,發(fā)電效率為92%,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的差速耦合式風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有較高的能量綜合捕獲效率。

(2) 差速齒輪機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)-波互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行能量耦合后,可有效降低與發(fā)電機(jī)輸入軸相連的殼體大齒輪轉(zhuǎn)速波動(dòng),輸出功率的高頻波動(dòng)得到有效抑制。