液压浮子式波浪发电装置研发(改)

1、液压浮子式波浪发电装置的研发液压浮子式波浪发电装置的研发天津海津海洋工程集团有限公司2010年3月11日目录一、研发目的与意义3二、波浪能的利用现状4三、研究内容与技术路线51研究内容52技术路线6四、详细研究方案81浮子液压式波浪能搜集装置92浮子装置相关实验14五、拟解决的关键问题及创新点161. 拟解决的关键问题162. 创新点16六、预期研究成果16七、考核指标17八、时间进度及阶段目标17一、研发目的与意义随着经济和社会的发展，人类对能源的需求量越来越大，而全球的能源储备量却是有限的，特别是本世纪七十年代出现的原油危机，使人们清醒的认识到能源问题在国民经济和社会发展中的重要作用。为了

2、解决能源供应在社会发展中的瓶颈问题，寻找替代的可再生能源己经成为全球的共识。由于海洋面积约占全球面积的70%，海洋中储存着巨大的能量，这就使它吸引了人们的目光，世界上许多国家都着手对它进行了研究。海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以波浪、潮汐、温度差、盐度梯度等形式存在于海洋之中。海洋波浪能是一种在风的作用下产生的，并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能。海是世界上最大的风能“吸收器”，因此海洋波浪能的蕴藏量是惊人的。让我们计算一下这个能量。波浪能是和波浪高度的平方以及波浪周期的乘积成正比的。假设波高为H，周期为T，则1m长的海岸线所蕴藏的能量为：E=H2T因此，当波高为2

3、m，周期为6s时，则1m长的海岸线所具有的能量有24kW。波浪的高度和周期还同海面的风速有关，在10m/s的风速下，每1m长海岸所蕴藏的能量可以有24kW;在12m/s的风速下，每1m长海岸线的能量有59kW；而风速达到15m/s时，每1m长海岸线的能量达24kW。从理论上讲，这个能量和风速的六次方成正比。如果通过某种装置使这样的波能转换成电能，其效率是27%的话，则在上述三种风速下，其所能发出的电的能量分别为6kW、16kW、57kW。这样，每一公里长的海岸线其发电能量分别可达到6000kW、1600kW、57000kW。按照这种算法，以中国为例，海岸线总长约2万公里，其波浪能全年平均有1.

4、5亿千瓦。国际能源组织(IEA)1994公布的报告预测:波浪能如果充分开发，最终可提供自前全球电力需要的10%左右，估计为2030亿千瓦。波浪能作为一种清洁的可再生能源，早在一个世纪前，人类就开始着手对它进行研究，但那时的波浪能研究主要集中在波能转换装置的发明上，真正实用的波能装置很少。直至上世纪70年代中期，人们才开始认真地研究波浪能的实际利用技术。然而，波浪能作为可再生能源中最不稳定的能源，很难被吸收、利用。阻碍波浪能发电的关键问题主要有以下两点：1.稳定性问题，波浪的不能定期产生以及波高的变化是阻碍波浪能利用的关键。由于受技术限制，波浪能发电装置只能将吸收来的波浪能转化为不稳定的液压能，

5、这样再转化的电能也是不稳定的。这导致依靠波浪产生的电能无法直接应用到大型用电设备中，大多应用在航标灯、浮标等电源使用的小型波能发电装置，使其发电的经济效益降低。2.独立发电问题，波力电站一般建在远离电网的偏远地区或海上, 发电上网意味着需要价格昂贵的长距离电缆或海底电缆, 显然相对发电能力有限的波力电站来说, 长距离输电并不是一种经济的选择。针对上述两种情况并结合我国国情，发展为海岛和海上设施提供能源的中小型波浪发电装置有着很高的利用价值和广阔的研究前景。因此本项目着重研究510kW的波浪发电装置，在实用性和经济性上有着较好的平衡。二、波浪能的利用现状世界上主要的海洋大国都十分重视波浪能的开发

6、，关于波能转换的各种专利已经超1500项。国际上关于波力发电装置相关内容的研究日新月异，根据服役地点的水深情况、设计工艺及施工条件，波力发电装置大致可分为以下三类：离岸式；近岸式；靠岸式。离岸式装置多是被安置在水深大于40m的波能资源丰富的海区。近期的研究重点是小型化、模块化、高效能输出、便于批量组装应用的设计方案。“海蛇”波能装置（Pelamis）是国际上公认的具有前途的离岸式发电装置，该装置由一系列铰接在一起的钢制圆柱体组成，因其形状类似海蛇，所以被冠以希腊文的海蛇（Pelamis）。圆柱体用锚在海底固定，与波浪总的走向一致，当波浪涌过系统时，带动组件上下左右运动。这时，连接其间的管道弯曲

7、，泵动其中的高压油液推动液压马达，继而带动发电机组运转。而油液被集中到一个内腔平滑的积聚区，因而可以保持恒定的运动速率。该装置已经通过了设在奥克尼的欧洲海洋能源中心测试，在超过1000小时的试运行中没有发生技术故障，现已投入实用化运行阶段。气动稳定平台装置（Pneumatically Stabilized Platform）是一套较成熟的近岸式发电装置。气动稳定平台通过收集工作甲板下的空气获得支撑浮力，平台由置于矩形模块的圆柱状单元组装而成。圆柱单元中的空气压力稍高于大气压，顶部封口而底部与海水相连。圆柱间的浮力材料可以填充空气、泡沫及其他材料。通过圆柱间管道里空气的流动，作用于整个结构上由波

8、浪产生的压力峰值可被有效减低，并增加其整体稳定性。将流动的空气引向透平发电机组就可以将波浪动能转换为电能。美国的佛鲁特公司已经将一个试验装置安装在圣迭戈附近海岸。其优点是由波浪压力产生的空气流动，不仅可以提高平台稳定性，还可转化为电能；缺点是该装置的波能转换距离实用化还有许多问题等待解决。靠岸式的波力发电装置一般被固定在岸边，易于安装和维护，不需要在深水区进行锚固和长距离的海底电缆设备。缺点是波能利用率较低，同时还受到岸线地形、潮差及海岸保护等因素的制约。渐缩水道式装置（TAPCHAN）是基于聚波理论的一种靠岸式波能转换装置，工作原理类似于传统的低水头电站。建设要求在海边设置一个高水位的蓄水池

9、，而无需进行额外爆破和水坝工程。渐缩水道由一个喇叭形的聚波器和一个通向蓄水池的渐缩楔形导槽构成。当波浪进入导槽宽阔的一端向里传播时，波高不断放大，直至波峰溢过边墙，将波浪能转换成势能。蓄水池中的水通过水轮机房流回大海，发电采用常规水轮机组。挪威波能公司（NorwaveA.S.）在挪威MOWC附近建造了一座装机容量为350kW的聚波水库电站。该方式的优点在于波能的转换没有活动部件，可靠性好，建设及维护费用低且出力稳定。但不足之处在于，该装置要求的平均波能较高，潮差不能高于1m，而且对地形要求过于严格，不易于进行推广。本项目研究的装置为近岸液压浮子式海上波浪能发电装置，浮子式波浪能搜集装置在吸收波

10、浪能后通过液压缸输出高压的液压油，液压油通过管道输送至液压马达做功，液压马达输出功率给功率传动箱，能很好地满足海洋能利用装置的四点基本要求：（1）该平台的重要设备（发电机、液压马达、功率传动箱等）处于平台密室内，可保证其能抵御台风，降低盐雾侵扰；对于浮子装置，当遭遇台风侵袭时，通过液压支杆将浮筒抬离水面进行保护；（2）平台的主要设备有波浪能转换部分、发电机，每一部分的设计尽量结构简单、可靠。（3）浮筒为装置的唯一浸水部分，可降低海水腐蚀带来的影响。（4）海浪能转换部分均经过优化设计，运行实效性高。三、研究内容与技术路线1研究内容本项目基于当前国家对于海洋能源开发的大力扶持以及海洋能源利用的广阔

11、前景，研究开发一种新型海上液压浮子式波浪发电平台，该平台主要包括波浪能利用装置、发电机、储能器等。研究内容如下：（1）波浪发电的技术经济分析。对波浪能装置进行分析，对该装置的功率输出特性进行研究，在输出功率稳定性、持续性、能源利用率等方面进行技术经济分析。（2）高效波浪能利用装置的研究开发。计算在一定的海域内（具有一定的波高、周期、波长），单位面积的波浪（主要是涌浪）所具有的能量；选择一种具有最佳能量吸收率的浮子，研究该形状的浮子从上下起伏的波浪中所吸收的能量以及能量吸收率，同时建立浮子受力模型；为了以最大效率将浮子所受的浮力推动液压缸活塞，需要设计出具有一定形状和尺寸的浮子臂和它的工作方式，

12、同时应满足强度要求，建立浮子臂受力的动态数学模型；根据需要选择一定型号的液压缸，并且配合浮子臂将液压缸布置在高出平台的一定位置，建立液压缸活塞杆受力的动态模型，从而求出液压缸排出的液压油的平均流量和压力；设计一套完善的液压回路，并对组件及液压马达进行选型设计，以最大效率将液压能传递到液压马达，转化为马达的旋转动能。（3）发电平台智能控制系统的研究开发。装置拟采用闭环控制系统，包括：信号采集（传感器）、信号处理（信号处理箱）、控制器、命令执行机构。控制系统的基本功能包括功率调节功能：实时监测能量搜集装置的功率输出情况，及时调节储能器的流量，进行机组的功率控制；状态监测功能：实时监控浮子装置的工作

13、状态参数（浪高、输出功率等）、发电机的工作参数（电流、电压、频率、输出功率等）；保护功能：在机组处于停机状态时发出命令执行机组的停机动作，浮子的液压杆将浮子抬离水面。（5）发电平台功率输出稳定性控制策略研究。根据对装置的功率输出特性研究，设计一个放置于波浪能利用装置中的储能器，其作用是消除波浪能的功率突变，以达到功率输出的稳定性。（6）发电平台保护装置的研究开发。根据海上工作环境的特点，同时针对装置自身的结构特点，研究包括平台整体以及装置各部件的保护装置。2技术路线本项目拟采用理论分析、数值仿真与实验验证相结合的研究方法，在吸纳国内外相关领域先进技术的基础上，进行大量的理论研究及技术创新。从浮

14、子装置的基础理论研究入手，继而开展各装置的结构设计、性能分析、优化集成、数值仿真以及实验验证等一系列的研究工作。本项目研究的技术路线如图1所示。调研，文献检索，编写调研报告初始方案制定验证：部分进行试验，部分进行计算机仿真发电平台完整性评价提交最终成果，项目验收浮子装置初始参数确定相关理论研究初始设计优化设计实验验证最终结构确定图1研究技术路线示意图（1）波浪运动特性分析。微幅波理论是应用势函数研究波浪运动特性的一种线性波浪理论，对于理想的无粘流体，假定液体不可压缩且其运动是无旋的，则对于在重力作用下液体的波动可以用速度势函数(x, z, t)（二维问题）进行研究。（2）浮子受力分析。Frou

15、de-Krylov理论假定，结构周围的波浪场不因物体的存在而改变，作用在结构上的波浪力可直接根据入射波产生的压力沿淹湿表面积分得到。一般认为，当结构尺寸与波长相比变化很小时，作用在其上的波浪力将与Froude- Krylov力成正比，并可通过引入某种系数进行修正得到实际波浪力。（3）起伏系统能量吸收率模型的建立。能量吸收率是指起伏系统的总能量与波的总能量之比，它是波能攫取能量多少的重要标志。建立的数学模型形式为：s=EZE=12m+m2+gAwp18gH2（4）液压传动系统设计。液压传动系统利用液压缸将起伏系统的机械能转换为液体压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递

16、，借助于液压马达把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构。四、详细研究方案本项目的研究目标为液压浮子式波浪能发电平台，拟搭建在沿岸的附近海域上进行实验验证。平台通过支柱固定在海底，主要设备有浮子式波浪能搜集装置、液压马达发电机以及其它设备，平台的结构原理图如图2所示。图2 发电平台的结构原理示意图平台分为上下两层，上层是主要承重层，承载着整个机组的大部分设备，包括液压油储能器发电机、控制系统等。由于整个平台处于海上，为了防止平台上的重要设备受到强风或盐雾的侵扰，特别将发电机、液压马达等装置置于一个密室内。平台下层为支撑浮子及液压装置的支架，是由几个“工”字型钢架组成的支承结构。平台布置双排圆

17、柱式浮子，浮子通过支杆与“工”字型钢梁铰接，支杆的另一端连接着液压缸的活塞杆。活塞杆通过浮子的上下摆动驱动液压缸做功，输出的高压油汇集后送至平台上层的液压马达，推动液压马达做功。1浮子液压式波浪能搜集装置本发电平台中的浮子式波浪能搜集装置是一种简单可行的波浪能利用装置。浮子液压式波浪能收集装置的工作原理如图3所示。图3 浮子液压式波浪能搜集装置的工作原理图（1）系统构成及工作原理在海上发电平台的两侧布置两排浮子，每排可以有多个浮子。单个浮子通过浮子臂与单个液压缸连接，全部浮子共用一个液压系统。图4效果图当浮子在垂直波浪力的作用下向上运动时，通过浮子臂绕着杠杆支点作用下，牵引液压缸活塞运动，液压

18、缸内的液压油被排出；多个液压缸内排出的液压油全部汇集到同一根高压油管中，高压液压油首先输送到一个储能器中，经过缓冲调和之后流往液压马达，推动液压马达旋转做功；做完功的液压油通过一根回油管回流至液压缸，形成一个完整的循环。整个系统的运动形式如图5所示。 液压马达转动液压油在压力下急速流动液压缸活塞运动浮子的垂向运动海上波浪的垂直运动图5 系统的运动形式 海上波浪的起伏运动具有丰富的动能与势能，可以将这些能量传递给漂浮在海面上的浮子，转变为浮子上下起伏的动能与势能。浮子臂衔接浮子和液压缸活塞杆，将浮子从波浪中所吸收的能量传递给液压缸活塞杆，从而推动活塞运动挤压液压油，具有液压能的高压液压油通过油管

19、进入液压马达，使得液压能转化为液压马达转动的动能。系统能量转换的原理如图6所示。浮子垂向运动的动、势能液压缸的运动动能液压油势能液压马达动能波浪垂向运动的动、势能图6 系统能量转换的原理图（2）系统主要元件单个浮子液压式波浪能搜集装置的结构原理如图7所示。 图7 单个浮子液压式波浪能搜集装置结构原理图浮子；浮子臂；液压缸活塞；液压缸；总液压油管；总回油管；液压缸回油管；液压缸高压油管。由图7知，浮子液压式波浪能搜集装置主要由以下几部分组成：1）振荡浮子该装置的主体为双排多个浮子，以充分吸收在一定空间内的波浪能。因此，浮子的形状选择、尺寸大小以及布置方式对波浪能的吸收率尤为重要。基于弗汝德一克雷

20、洛夫理论，当结构尺寸与波长相比较变化很小时，作用在浮子上的波浪力与Froude-Krylov力成正比，可通过引入某种系数进行修正得到实际波浪力。对不同形状的浮子（如半球形、水平圆柱形等）进行波浪力计算，通过比较各种形状浮子的受力情况和能量吸收率，选择形状理想的浮子作为本设计的试验装置。浮子的总能量包括动能 Ek0=12(m+mw)2Z02 和势能 Ex=12gAwpZ02 两部分，与浮子质量m、附加质量mw、浮体水面截面积、起伏位移Z0有关；波的总能量包括动能和势能：E=E+EP=18gH2 波高和波长有关。设平台搭建在一个特定（波长、周期、波高一定）的海域内，通过逐差法重复计算各种尺寸的垂直

21、圆柱形浮子的波浪力和能量吸收率，从而得出浮子的最佳尺寸。当浮子的排列方向与来波方向垂直时其效率最高，因此将多个浮子设计为并列两排，每排多个浮子布置在平台的两侧，排列方向与来波方向垂直。2）浮子臂浮子臂是连接浮子和液压缸做功元件活塞杆的桥梁，对液压马达的输出功率起到至关重要的作用，因此浮子臂的尺寸、材料、浮子臂与水平方向的夹角需要优化设计。由于浮子臂较长，受到的弯矩较大，因此要求抗弯性能好。为了避免增加浮力需要克服的重力而降低发电效率，要求其结构简单、尽量减轻重量。由于浮子臂暴露在外面，终日受海风和海水的冲刷和腐蚀，因此要尽量选用抗腐蚀材料，并喷涂防腐油漆。对于浮子臂与水平方向的夹角，可以通过人

22、工池的实验方法来确定。由于波浪对浮子有一个水平作用力，因此将浮子臂与水平方向的夹角设计为：浮子的浮力与水平作用力的正切角一般在70°80°之间。3）液压缸液压缸是本设计的核心部件，具有结构简单、工作可靠的特点，用它来实现往复运动可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳。液压缸的输出力与活塞有效面积及其两边的压差成正比。液压缸由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成，其主要参数包括液压缸公称压力、液压缸内径、活塞杆直径以及活塞行程等。在择液压缸型号时，需要考虑以下因素：保证液压缸的输出力（推力、拉力或转矩）、行程和往返运动速度，以及保证液压缸的每个零件有

23、足够的强度、刚度和耐用性。4）液压马达液压马达是将液压能转化为机械能的转换装置，在液压系统中作为执行元件使用。液压马达将来自液压缸输入的液压能转变成旋转运动的机械能，获得输出轴上的转速和转矩。液压马达主要分高速液压马达、低速液压马达和摆动液压马达。通过对脉动率、启动效率、最低稳定转速三个方面的比较，可以发现多作用内曲线马达的综合性能最好。同时根据计算所得到的液压油量和压力，选择合适的液压马达。5）直驱式发电机进行发电机选型设计时，从联合发电装置的工作环境及工作特点出发，选用了最近几年在风力发电机组中大量使用的稀土永磁同步发电机。稀土永磁同步发电机与一般同步发电机的区别在于其无需励磁绕组和直流励

24、磁电源，即取消了容易产生故障的集电环和电刷装置，成为无刷电机，因而结构简单、运行可靠。采用稀土永磁材料后还可以增大气隙磁密，并把发电机转速提高到最佳值，这就可以缩小发电机体积，减轻质量，提高功率质量比。由于省去了励磁损耗，发电机效率得以提高。处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步发电机小得多，因而固有电压调整率也比电励磁同步发电机小。此外，发电机的形状和尺寸可以灵活多样。直驱式发电机额定转速低，可以实现低转速运行。使用直驱式发电机，本发电平台省去了庞大的增速机构，使机组结构更加简单，且可靠性更高。（3）装置的特点1）该装置是一个多点吸能器，通过对称排列的多个浮子吸收波

25、浪能，能量吸收率较高；浮子的对称排列，使装置实现了力学上的平衡。2）该装置可以在非常小的波高中工作，只需要十几厘米的浪高，这就保证了它能够连续不断地输出功率，并且有约90%的时间输出最大功率。随着尺寸的增大，其效率会有大幅度的提高。3）采用浮子来吸收波浪能，很少会出现故障。如果其中某个浮子出现故障，其余的浮子不会受到影响而继续工作，即使故障浮子数达到一半，装置仍能以一定的功率工作。4）该装置选用共同的液压系统，效率高。系统设置储能器，保证了液压油流动的稳定性，使输出功率稳定。5）该装置结构简单，重量较轻，所选材料容易获得且价格较低，制造费用低；只有浮子部分浸没于水中，节省了昂贵的材料费和维护费

26、，经济性好。6）该装置在工作过程中不会产生污染环境的有害物质，符合环保条件。2浮子装置相关实验通过理论计算所得出的各种装置的尺寸、重量、材料以及选型结果需要通过实验来验证。为了使浮子式波浪能装置能在海上平台实验成功，达到预期效果，拟在实验池中模拟出具有较小的波高、周期、波长的波浪，同时搭建简单可靠的浮子式液压系统实验装置，通过在池内做几个关键的实验采集各种实验数据，分别测出浮子随时间的振幅变化及浮子所受到的波浪力，选择出最合适的波浪参数、波能吸收及转化装置，最后计算出此波浪能装置能产生的能量。1） 在确定浮子形状时，需要对几种形状的浮子的受力和能量吸收率进行比较。拟选取半球体、半水平圆柱体、垂

27、直圆柱体这3种形状进行比较，通过测取这3种浮子在一定波浪作用下的起伏位移和波浪力，通过计算选择出能量吸收率最大的浮子作为波浪能搜集装置。2）浮子臂与水平方向的夹角对能量的传递起到很重要的作用。在实验池内，通过对比几个角度下浮子的起伏位移和传递到液压缸活塞杆的力，验证当浮子臂与水平面的夹角为浮子所受波浪作用下垂直作用力与水平作用力的正切夹角时，其传递效率最大。3）为了测取实验装置在哪种波浪情况下受到的波浪力最为稳定，在实验池中拟造出4种不同波长的波浪。在相同波高、周期情况下，分别测出浮子随时间的振幅变化及浮子所受到的波浪力，获取浮子受到的波浪力最稳定的工况。五、拟解决的关键问题及创新点1. 拟解

28、决的关键问题（1）平台成本问题。海洋能利用装置的海上固定成本是很高的。本研究拟从平台本身、平台的装置及设备布置上着手进行成本控制，平台本身设计尽量紧凑，装置设计尽量简单，尽量降低机组的重量。（2）对浮子形状进行优化，寻找一种最有效的浮子形状，使得浮子的波浪能利用率系数达到最大；对浮子的布置进行优化设计，在保证效率、节约成本的同时，尽可能多布置浮子个数。（3）机组的智能控制系统。设计一套机组的智能控制系统，可以保证在无人值守的情况下自动监测机组的运行状态，及时调整机组运行参数；同时该系统还具有远程控制功能，可以在岸上或其他任意地方通过网络或无线传送技术，实时监控机组的运行状态，并对机组进行人工远

29、程控制。2. 创新点（1）提出了一种新型波浪能利用方案，将浮子与液压系统有效地联系在一起，通过液压推动发电机发电。这种方案的优点是：振荡浮子吸收波浪能的效率较高，制造相对简单，液压装置的能量转换效率也较高，从而使得整套装置的能量利用率较高。（2）波浪能利用装置的布置新形式。波浪能利用装置的液压缸固定在平台两侧延伸出的钢架上，这样可以避免转换装置受到海水的腐蚀，也可以随时调动转换装置以确保液压缸能达到最佳的工作效果；同时浮子的布置采用双排并列布置，可以在一定空间内尽可能多地布置浮子个数。（3）系统中引入储能器作为机组功率调节的手段。浮子式波浪能搜集装置有一个液压储油桶，不仅可以缓解波浪能装置的功率突变问题，而且可以通过机组的控制系统实时监控风力机的功率输出，实时调整储油桶的输出油量，最大限度地降低机组功率输出的波动性。（4）波浪能搜集装置衔接浮子与液压缸的浮子臂有一个支点，利用杠杆原理，通过合理的划分支点两边的浮子臂长度，可以得到较大的推动液压缸活塞的动力，使得液压油压力较高。（5）设计共同的液压系统，以最大效率将机械能转化为液压能，并最终转化为液压马达输出的旋转机械能。（6）平台采用模块化设计，便于制造与安装。平台的大部分制造及安装