漂浮式波浪能装置能量转换系统研究.pdf

第 48卷第 24 期 2 0 12 年 12 月 机械工程学报 JO U R N A L O F M E C H A N IC A L E N G IN E E R N G V lo 1 4 8 D eC N O 2 4 2 0 1 2 D o I l O 39 0 1 JME 20 12 24 14 1 漂浮式波浪能装置能量转换系统研究木 盛松伟 2游亚戈 1 2张亚群 1 2 3 吴必军 1 2孙洲平 1 2 3 1 中国科学院广州能源研究所广州510640 2 中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室广州 510640 3 中国科学院大学北京100049 摘要 能量俘获系统与能量转换系统构成整个波浪能装置 其中能量转换系统是波浪能利用的关键环节 设计一套适用于漂 浮式波浪能装置上的液压式能量转换系统 包括液压缸 液压马达 蓄能稳压系统 液压控制系统及发电机 液压控制系统 中采用特制的 液压 自治控制系统 用于根据发 电许可最大压力与最小压力控制液压系统能量释放与储蓄动作 并将最大 压力提高到 23 M Pa 最小压力提高到 9 IVIPa 大量试验数据表明 压力提高后的液压转换系统较之以前的液压系统在效率和 可靠性方面有明显的改进 对波浪能海况试验样机研发意义重大 关键词 液压式能量转换系统二级转换转换效率液压控制 中图分类号 TK 79 R esea rc h on P ow er T a k e off S y stem o f F l o ati n g Wav e P ow er D ev i c e SH EN G Songw ei Y O U Y age ZH A N G Yaqun 2 W U B ijun SU N Zhoupi ng 2 1 G uangzhou Insti tute ofEnergy C onversi on C hi nese A c adem y of Sc i enc es G uangzhou 5 1064 0 2 K ey L aboratory o f R en ew ab l e E n ergy an d G as H y drate C h i n ese A c ad em y Sc i en c es G u angzh ou 5 1 0640 3 U ni versi ty of C hi nese A c adem y of Sc i enc es B ei ji ng 1 00049 A bstrac t W ave energy c onverter W EC i nc l udes an energy harvesti ng system and a pow er take off PTO The PT O of a fl oati ng WE C i s th e k ey th at c on v ert s w ave en ergy i n to oth er form s A set o f hy drau l i c P T O w h i c h i s desi g n ed fo r th e fl oati n g WE C s i nc l ud es h ydrau l i c c y l i nd ers h ydraul i c m o tors a p ressu re m ai n ta i ni ng en ergy sto rag e sy stem a hy drauli c c ontro l sy stem and a g en erator T h e hy dr au l i c c o ntrol sy stem ad op ts a spec i al hy drauli c sel f c o ntrol system to c on tr o l th e hy drau l i c sy stem to rel ease en ergy un der th e m axi m um pressu re or to storag e en ergy un d er th e m i ni m um pressur e D uri n g ex peri m en ts th e m axi m um p ressure i s enh an c ed to 23 M lP a th e m i n i m um o ne to 9 M P a C o m pari so n b etw een th e n ew h ydrauli c system an d th e prev i o us o n e qu i te a few exp eri m en ts data sh ow th at th e new h as ev i d en tl y i m p rov ed i n effi c i enc y an d rel i ab i l i ty The re sul t ha s great si gni fi c anc e i n th e researc h and dev el op m en t o f WE C p rototyp e K ey W O rd s H y dr au l i c p ow er tak e Ofr Sec ond tran sfers C on versi o n effic i en c y H y dr au l i c c o ntr ol 0前言 波浪能装置可分为两个部分 第一部分为波浪 能俘获系统 作用是将波浪能转换为往复机械能 一 级转换 第二部分是能量转换系统 作用是把往复 机械能转换为电能或其他形式的能 最终的能量形 海洋可再生能源专项资金 GHM E2010GC01 GH M E2011BL06 中 国科学院方向性 KG CX2 Y W 399 8 资助项 目 20111223 收到初稿 20120607 收到修改稿 式决定转换所需要的步骤 若最终形式为电能 通 常需要采用两个步骤 即将往复机械能转换成旋转 机械的二级转换 和将旋转机械能转换成电能的三 级转换 也有一些特殊的发电机 如直线发电机 l J 或磁流体发电机 可以将往复机械能直接转换成 电能 目前世界上的波浪能装置大致有几种类型 2J 采用气动式能量转换系统的振荡水柱类装置 特 征是利用空气透平将波浪能转换成旋转机械C G 采用液动式能量转换系统的越浪式类装置以及直驱 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 142 机械工程学报 第 48 卷第 24 期 水轮机装置 前者将波浪动能转换成水的势能 再 驱动水轮机旋转 后者直接利用波浪驱动水轮机旋 转 获得机械能的设计 采用液压 或直线电动 机 或磁流体电动机 或机械式的能量转换系统的 振荡浮子类装置 较常见的是采用液压式能量转换 系统的振荡浮子式装置 比较著名的有 1974 年英 国 SA LTER L3J的点头鸭波点吸收式浪能装置 1980 年 开始研制 的M c C abe W ave Pum p 筏式波浪能装置 4J 苏格兰 O c ean Pow er D el i very Ltd 公司 1998 年设计 的 Pl eam i s 筏式波浪能装置l 5 苏格兰绿色能源公 司研制的牡蛎 O yster 摆式波浪能装置 oJ FA LN E S 等 7 共 同研发的 Pow er B uoy 点吸收式波浪能装置 等 我 国已建成 的该类型装置有 8 kw 和 30 kW两 座摆式 8 以及 50 kW 振荡浮子 9 和 10 kW 鸭式波 浪能发电装置 l 刚 正在建造的有 100 kW 摆式和 100 kW鸭式波浪能发 电装置 液压式能量转换系统具有很好的性能 引 表 现如下 惯性小 组成波浪能俘获系统的刚性设 备只有惯性很小的液压缸活塞 不会影响波浪能俘 获系统的运动 易于通过阀控制阻尼 转换 效率高 无需增速机构 输出稳定 廉价 前三个优点有利于提高波浪能装置总效率 后三个 优点有利于提高波浪能装置的可靠性 稳定性 降 低造价 液压式能量转换系统在国内外很多波浪能装 置都有应用 但对该系统有详细描述或介绍的文献 资料较少 基于此情况 本文 以漂浮式鸭式波浪能 装置为例分析国内目前在能量转换系统的研究 文 中 介绍 了液压式能量转换系统的组成及原理方面 提 出提高系统的压力获取更高效率的方案 并通过 试验分析进行验证该方案的可行性 为下一步研 究 提供指导方 向 1 系统组成 漂 浮式鸭式波浪 能装置 的能量转换系统 由液 压缸 蓄能稳压系统 液压马达 发 电机 油箱 滤器 阀门 控制系统等组成 见图 1 工作框图 见图 2 其原理是波浪推动鸭体 并通过鸭体驱动 液压缸 将波浪能转换成液压能 液压能驱动液压 马达 并通过液压马达驱动发电机发 电 由于波浪 的不稳定 能量转换系统的压力总是在波动的 既 影响发电质量 又容易导致系统破坏 如发电机过载 或机械故障 在能流太小时还会导致效率下降 为 克服这一问题 特在 能量转换系统内设置蓄能稳压 系统 当波浪较大时 蓄能稳压系统起移峰填谷的 作用 平滑 了液压功率和压力的波动 提高可靠性 发电功率和发电稳定性 当波浪较小时 蓄能稳压 系统起储能作用 将过小能流的液压能储存起来 再 以最大功率释放 实现间断发电 以避免功率太 小导致的效率下降 事实上 在小浪时 波浪能装 置经常只能得到不足 20 装机容量的波浪能 发电 机几乎无法发 电 通过蓄能稳压系统的储能作用 进行间断发电 是提高效率的有效手段 虚素 图 1系统模型示意图 图2系统原理及能量转换框图 为 了实现上述 间断发 电 本文特研制 了一个 液压 自治控制系统 该 自治控制系统完全根据液 压平衡原理 打开或关 闭液压马达上游 的阀门 在 小浪时实现间断发 电 该 自治控制系统由一个氮气 蓄能器和一个液压缸组成 其中 液压缸的无杆腔 与氮气蓄能器相连 有杆腔与蓄能稳压系统相连 当蓄能稳压系统压力增大时 活塞向无杆腔运动 反之 活塞向有杆腔运动 因此 活塞杆端的位置 与蓄能稳压系统的压力有一一对应关系 蓄能稳压 系统能量释放完毕和能量蓄满时的压力分别对应于 该系统压力达到发电许可的最小压力 P 和最大压 力 P 通过测量或计算 得到 P 和 p 一 相应的 活塞杆端位置 分别设置关阀行程开关和开阀行程 开关 当杆端触动关阀行程开关 液压马达上游的 阀门被关闭 液压马达停止转动 当杆端触动开阀 行程开关 液压马达上游的阀门被开启 液压马达 开始转动 实现了间断发电 显然 上述控制系统实际上也适用于大浪的连 续发电工况 在大浪时 蓄能稳压系统的压力大部 分时间在p 和p一 之间徘徊 当压力提高时 液 压马达的排量会 自 动加大 反之变小 形成负反馈 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2012 年 l 2 月 盛松伟等 漂浮式波浪能装置能量转换系统研究 143 再加上有蓄能稳压系统的储能作用 故在波浪大到 一 定程度时 能量转换系统自动进入连续发电工况 即便压力偶尔达到最低压力 导致液压马达上 游 阀门关 闭 但很快压力又会达到 p 阀门再次 开启 在研究上述能量转换系统中 选取发电机额定 功率 15 kW 额定转速 1 500 ff m i n 液压马达额定 排量为 32 m L r Pmi n 9 0 M Pa 23 M P a 负 载电阻变化范围为 38 78 Q 各参数大小对整个 系统的转换效率都影响 2系统试验 为了便于计算液压发电系统的效率 需要检测 系统各个环节的参数变化 监控系统某些重要环节 的工作情况 在系统中设置了测量流量 压力 转 速 电压 电流等 12 个参数的传感器 2 1参数测试 以 C 语言为平台编写数据采集及处理软件 压力 测量范围为 O 1 M P a 0 2 M Pa 0 15 M Pa 0 35 M Pa 输 出为 4 20 m A 电流信号 流量 测量 范围 0 7 8 m h 输 出为 4 20 m A 电 流信号 电压测量范围为 0 500 输出为 0 100 m A电流信号 电流测量范围为 O 50 A 输出为 O 50 m A 电流信号 转速 脉冲计数信号 2 2试验方法 试验中 组成能量转换系统 的液压缸由液压泵 代替 变频器以不同频率控制电动机带动液压泵往 复运动 模拟波浪能装置俘获 间断不稳定 的波浪能 液压泵向蓄能稳压系统中压入液压油 蓄能稳压系 统压力到达 23 M Pa 时 液压 自治控制系统开启液 动阀 液压马达被驱动 发 电机开始发电 产生的 电能 由负载消耗 当蓄 能稳压系统 压力低 于 9 0 M Pa 时 液压 自治控制系统关闭液动阀 蓄能系统 停止释放液压油 系统释放液压油含有能量 P f 1 f 式中 f为记录的单个试验数据 为记录 的试验 数据总数 Pi 为蓄能稳压系统的压力 q 为蓄能 稳压系统释放液压油的体积流量 为数据采集间 隔时间 发电机输出能量 Eout Ui At 2 式 中 为发 电机输 出电能经整流后输出的直流电 压 为发 电机输出的电流 能量转换系统的总效率 每 3试验结果 3 1试验曲线 试验 时 变频器 的工作频率 产22 05 H z 数据 采集频率 20 H z 负载电阻 R 38 Q 压力 流量 电压 电流试验 曲线分别如 图 3 所示 系统能量释放完毕时 蓄能稳压系统的压力 pmi 2011 8 0 M Pa 能量储满时 该压力为 pmax 2011 22 5 M Pa 对应 的氮气蓄能器压力变化范围为 6 7 13 7 M Pa 蓄 能 稳压 系 统释 放 液压 油 的流 量 为 1 86 2 50 m 3 h 发电机输 出的直流 电压 361 46 527 00 V 电流为 8 9 13 3 A 3 2试验结果 如图 3 所示 试验记录了两次做功过程 采集 数据个数为 18 844 个 单次发 电时间最长达 123 S 如图 3b 所示 曲线含有 4 个波动 第 2 个及第 4 个波动记录 了释放液压油做功过程 第 1 个及第 3 个波动是 由于存 在机械 问题导致液动 阀开启所 做 的功 根据式 1 计算系统释放液压油含的能量 1巴 巨 Pf f 1 121 474 406J 4 根据式 2 发电机所产生的电功 1坚 0u l t LAt 968 408 3 J 5 根据式 3 得能量转换系统的总效率 72011 每 6 3 3对 比试验 本实验室 曾于 2009 年进行了与 20 11 年试验类 似 的鸭式波浪能装置的能量转换系统的试验 2009 年试验 中 蓄能稳压系统最小压力为 p山 20o9 4 0 M Pa 最大压力位Pmax 20o9 6 0 M Pa 系统负载电阻 为R 33fl 图4 为 2009 年试验采集的电流 电压 数据图 根据数据统计 发电机输出能量 126 675 J 液压缸压入能量转换系统 的液压油所含 能量为 Em 259 677 518 J 2009 年试验中 能量转换系统 的总效率 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报 第 48 卷第 24 期 一 蓄能稳压系统 曼 咖l 耀 出 a 压力数据 2 0 0 4 00 60 0 8 00 l 0 0 0 时间 s b 流量 c 电压 时间 t s d 电流 图3试验数据曲线 2011年1 一 等 x100 48 78 7 试验单次做功时长为 42 S 电压及 电流存在尖 峰信号 电压范围为 300 380 V 电流范围为 8 5 12 A 5 0 0 400 30 0 器200 1O 0 避 l l 图 4 试验 数据 曲线图 2009 年1 3 4试验分析 比较两次试验 2011 年试验效率高达 86 35 比 2009 年试验效率 48 78 提高了 37 57 两 次试验 中液压系统 的最大 区别在 于中蓄能 稳压系统的压力变化范围由 4 0 6 0 M P a 提高为 8 0 22 5 M Pa 两次试验的压力比 七 孕 8 P ma x 一 2009 0 管道功率计算公式 P P q 9 式中 为管道的体积流量 如假设两次试验获得同样的输出功率 则两次 试验 的流量 比 1 6 k 1 23 流体流管的沿程压力损失 I 2 c q v J 11 式中 为液压系统中的沿程阻力系数 适合层流 及湍流 为液压管道截面积 由于两次试验的条件相同 试验过程中液压油 状态可视为相同 取沿程阻力系数 一致 液压系 统压降比例关系为 鲫 O 6 宝 压 问电 0 时 4 如 0 O 5 O 5 O 5 O 8 3 2 2 O O 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2012 年 l 2 月 盛松伟等 漂浮式波浪能装置能量转换系统研究 145 qv 2 0 1 1 2 k 2 寺 8 12 式中 为两次试验中液压系统的压降比例 p2009 为 2009 年试验中液压系统的压降 Ap 20l 为 201 1 年试验中液压系统的压降 取发 电机 效率为 0 9 两 次试 验 的液压 系统 效率 7hvd 2009 r 20o9 0 9 48 78 90 54 2 13 r hvd 2ol 1 1 2o11 0 9 86 35 90 95 94 14 式中 7hvd 为 2009 年试验 的液压系统效率 vd 2 o l 1 为 2011 年试验的液压系统效率 根据式 9 液压系统效率 100 P outq vout 100 15 P m q vm 式中 为液压系统输入功率 Po 为液压系统输 出功率 Pi 为液压系统的输入压力 即为蓄能稳 压系统能量储满时的 压力Pm Pom 为液压系统的 输出压力 q 为液压油进入液压系统的体积流量 g 为液压油流出液压系统的体积流量 假设不考虑试验 中的液压油的泄漏 则流管中 流量保持一致 即q qvou 代入式 15 则 hyd P outq z out 100 100 16 P i nq i n P n Pi 一Pout Pi 一 7hvdP i Pi n 1 77l d 17 由式 18 得试验的沿程压力损失为 2009 P m 2009 1一 vd 2009 6 1 54 2 M Pa 2 748 M Pa 18 Ap 2o1l P m 2011 1一 vd 20l 1 23 1 95 94 M Pa 0 933 8 M Pa 19 瑚 c zo 而 由式 12 及式 18 推得 2011 年试验的压力损失为 011 2oo9 6 81 2 748 M Pa 0 187 139 9 M Pa 2 11 按照式 21 推算 2011 年试验液压系统效率为 yd 2o l 争 100 100 in 23 0 187 1 3 3 99 M Pa 100 99 186 22 23 M P a 由式 22 结果说明 在无泄漏情况下 液压系 统压力损失由0 933 8 M Pa 降低为0 187 M Pa 效率 由95 94 提高到 99 186 对比2009 年的试验及 2011年试验 能量装换 系统总效率由 48 78 提高到 86 35 液压系统效 率可 由 54 2 提高到 99 186 将蓄能稳压系统的 压力范围的提高是效率的提高关键 同时实现了蓄 能稳压系统蓄能能力增强 系统发 电功率总量增加 单次发 电时间变长 发 电电压电流冲击较小 变化 平缓 4 结论 1 介 绍 了漂 浮式 波浪 能装置 的能量 转换 系 统 即液压发电系统 2 通过试验证明 该系统能够实现将不稳定 间断的波浪能转换为稳定持续 的电能 并且系统经 优化之后 系统总效率及液压系统 的效率都有 了较 大的提高 对于漂浮式波浪能装置 的实海况试验有 理论指导意义 3 通过原理性分析 系统效率尚有提高的空 间 且未开展能量转换系统 中负载的建模 因此并 不能确定整个系统的效率最大值 4 本文对 能量转换系统 的研 究有助于漂浮式 波浪能装置的系统设计 为系统进一步优化提供 了 可靠 的参考依据 参考文献 1 1 宋保维 丁文俊 毛昭勇 基于波浪能的海洋浮标发 电系统 J 机械工程学报 2012 44 12 139 143 SO N G B aow ei D IN G W enjun M A O Zhaoyong C onv ersi o n sy stem o f o c ean b u oy s b ased on w av e energy Journal of M ec hani c al Engi neeri ng 20 12 44 12 139 143 2 游亚戈 李伟 刘伟明 等 海洋发电技术的发展现 状与前景 J 电力系统自动化 2010 34 14 25 37 Y O U Y ag e L I W ei L IU W ei m i n g et a1 D ev el op m ent statu s an d persp ec ti ve of m ari n e en ergy c o nv ersi on sy stem s J A utom ati on ofE l ec tri c Pow er System s 2010 34 14 25 37 3 SA LT ER S H W ave pow er J N ature 1 974 249 7 20 72 4 4 A N T O N IO F de O F W ave energy uti l i zati on A revi ew of the tec hnol ogi es J R enew abl e an d Sustai nabl e E n ergy R ev i ew s 2 0 10 14 89 9 9 18 5 H E N D E R SO N R D esi gn si m ul ati on an d testi ng of a n ov el h yd rau l i c p ow er tak e off sy stem for th e P el am i s w ave energy c onverter J R enew abl e E nergy 2006 31 1 27 1 283 6 TR E V O R D A V ID C M AT T F et a1 T he devel opm ent 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 146 机械工程学报 第 48 卷第 24 期 of O yster A sh al l ow w ater surgi n g w ave en ergy c o n verter EB O L 2012 05 10 http w w w aquam ari nepow er co m si tes resourc es Pub l i sh ed 20p ap ers 24 74 T he 2 0dev el opm ent 2 0oP o2 0O y steff 2 0一 20 a 20sh al l ow 2 0w ater 2 0s urgi n g 2 0w ave 2 0energ y 2 0c onv erter pd f 7 FA LN ES J L ILL EB E K K E N P M B udal S l atc hi ng c ontrol l ed buoy type w ave pow er pl ant C 5th European W ave E n ergy C on feren c e 2 0 03 S ep 17 20 20 0 3 N oregs Tekni sk naturvi tskapl ege U ni versi tet N TN U T ron d hei m N orw ay 200 3 2 3 3 24 4 8 吕日恒 我国建成 30 kw摆式波力电站 J 海洋信息 2000 3 31 L U R i h en g C h i n a ha s bu i l t a 3 0 k W p end u l um w av e pow er generati on stati on J M ari ne Inform ati on 2000 3 31 9 Y O U Y age SH EN G Songw ei w U B ijun et a1 W ave energy tec hnol ogy i n C hi na J Phi l osophi c al Transac ti ons ofthe R oyal Soc i ety 20 12 370 A 472 480 10 盛松伟 漂浮式鸭式波浪能发电装置研究 D 广州 中国科学院广州能源研究所 2011 SH E N G S on g w ei In v esti g ati on o n F l o ati ng w av e e