摆式海洋波浪能量转换原理与应用

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Principle and Application of Pendulum O cean W ave Power GenerationSHI Shi-ning，YIN Yao-bao(Colege of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)Abstract： pendulum power generation by ocean wave energy has advantages of high eficiency and low cost， SO it is used tO generateelectricity.The basic principle and device of pendulum power generation by ocean wave energy is introduced such as pendulous system ofJapan，the pendulum wave energy generation of Daguan Island of China，the WaveRoler pilot power plant of Finland and the WRASPA ofEnglan d。

Key words： ocean energy；wave energy converter； pendulum； power generation； hydraulic driveO 前言海洋占地球表面积的70%却集中了 97%的水。海洋蕴藏着大量的能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等”。国际能源组织(IEA)曾预测[21：海洋波浪能量可提供全球需要电力的 10%，估计为 20～3O亿kW，且不会产生二氧化碳排放。波浪能作为-种海洋能，包括海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪能量的大小与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比∩以通过恰当的转换装置如传动机构、气轮机、水轮机或油压马达将波浪能量转换为机械能、气压能或液压能，然后驱动发电机发电。中国波浪能量的理论储量为 7000万 kW左右[3]。

波浪能量及其转换装置的研究由来已久。1940年Masuda开始研究波 浪能技术 l1。1974年 Saher嗍在Nature发表波浪能文章。波浪能量转换装置相继问世5-司，主要有鸭式、振荡水柱式、振荡浮子式、摆式等几种类型[91。其中，摆式波浪能量转换装置具有频率响应范围宽、可靠性好、常规忽条件转换效率高、成本较低等基金项目：国家科技支撑计划资助项 目(2011BAJO2B06)；国家 自然科学基金资助项 目(51175378)收稿 日期：2012-07-10作者简介：石世宁(1987-)，男，广西钦州人，硕士研究生，主要研究方向为极限环境下的流体传动与控制基础理论，飞行器能源与舵机，高速气动控制。

优点。摆式波浪能量发电技术的概念最早由日本渡部富治教授提出，并于 1983年在 日本北海道内浦湾建造了世界上第-座推摆式波浪能发电装置，装机功率为5kWt 1。1999年，中国国家海洋局海洋技术所在青岛即墨市大管岛成功建设 30kW岸边摆式波浪电站[1。摆式海洋波浪能量发电技术 日益成熟～会有越来越多的海洋波浪发电系统接人电网运行。本文介绍摆式海洋波浪能发电装置的基本原理，综述国内外几种典型的摆式波浪发电装置及其运行情况。

1 摆式波浪发电原理1.1 摆式波浪能发电装置构成常见的摆式波浪能发电装置由摆板、转轴、传动系统等部分组成。波浪垂直作用于摆板，摆板绕摆轴前后摆动带动传动系统的活塞杆运动，进而将摆板俘获的波能转换为传动系统的机械能，最终将机械能转换为电能。摆式波浪发电装置构成如图 1所示19]。

图 1 摆式波浪发 电装置构成液压 气动 与 密封/20l3年第 01期12 摆式波浪能发电的液压转换原理如图2所示，摆式波浪能发电装置由水室摆板机构、机电转换机构、发配电机构三大部分组成。水室摆板机构将波能转换成机械能，机电转换机构将机械能转换成电能。发配电机构实现电力输送过程。其中，水室摆板机构是机械能和液压能转换的关键部件㈣。

图 2 摆式波浪发 电液压转换装置原理 图由图2可见。当海洋波浪进入沉箱后，由于后墙的反射作用，产生两个相反方向的水波相互叠加，在水室内形成驻波，转变为水粒子的起伏运动，推动安装在水室驻波节点上的摆板绕水平支承来回摆动。摆上端与油缸中活塞杆活动联结，推动活塞在油缸中往复移动。于是，油缸活塞类似-个液压泵，提供液压系统压力油。

当摆板推动活塞向右移时。油箱的油经单向阀 1进人油缸左腔，右腔压力油经单向阀4、油路和节流阀进入液压马达，驱动液压马达运转，输出转矩或直接带动发动机发电。反之 ，活塞向左，油经单向阀 2进入油缸右腔，左腔中的压力油经单向阀3、油路和节流阀进入液压马达，驱动液压马达连续旋转，或作功或发电。

摆式吸能装置靠垂直于波浪中摆板被波浪推动做功而吸收波浪能转化成摆板的机械能，但是由于摆板的双向摆动，因此会降低其吸收效率，-般在摆板后建造-座后墙加以弥补。在摆式波浪发电站中，吸能装置是由水室与摆板组成的，水室的作用是聚波形成立波，其实质是增加波能密度，摆板则是与波浪直接接触的部分，波浪通过摆板做功，转化成机械能。

1.3 摆式波浪能发电装置的转换效率波浪能量转换效率，是指摆式波力电站摆轴处输出的功率与波能的功率之比。它又分为两个部分，-个是摆板所受的波浪力矩对摆轴做的功与波能之比。称为前导波能转换效率，另-个是摆轴处负载(反力矩 )对摆轴做的功与摆板所受的波浪力矩对摆轴做的功之比，称为摆式波力电站的吸能效率(或称吸能装置的波能转换效率)。

摆式波能发电装置的波能转换效率受很多因素影2响.主要有水深、波高、波周期等波况条件因素和摆板距后墙距、摆轴输出扭矩(负载)等结构形式 自身因素 ，平均的波能转化效率如图3所示。

- -约50%- - 约80%- - 约75%- 圆 匕 l堡堡 塑1 I 堂1图 3 摆式波浪发电波能转换效 率摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性，因此摆式装置的转换效率较高。另外，摆式装置可以方便地与相位控制技术相结合，相位控制技术可以使波浪能装置吸收迎波宽度以外的波浪能，从而提高装置的效率。

2 摆式波浪发电装置实例2-1 日本推摆式波浪能发电装置1983年。日本渡部富治教授在北海道内浦湾建造了装机容量为 5kW 的推摆式波力试验电站。该电站通过-个能在水槽 中前后亿的摆板从波浪中吸取能量.然后通过-台单向作用的液压泵进行能量转换，驱动发电机发电。摆板的运行适合波浪低频特性，并采用液压阻尼装置。该发电装置的液压转换原理见图4E。

12 aljuafI-，1 126a、 7 I1Ljj， 2 l25an 130b 7 1l3 ][) 乙125b 12b/ 132b 。-1---r -Pl 116挖 。

。 。 - POa图 4 日本推摆式波浪发电液压转换原理 图从图 4可知液压系统由液压缸、蓄能器、液动换向阀、单向阀、溢流阀、液压马达以及油箱等构成。其工作原理是，当波峰到来时，波浪推动摆板绕着转轴顺时针旋转，通过连杆传动变成油缸活塞的右移。活塞右移使得油缸右腔压力升高，-方面打开单向阀组的右下单向阀.另-方面推动液控方向阀使其处于右位工作 ，这样油缸里面的油液就能到达马达 121b使其旋转 ，通过V带传动，使发电机 123工作而产生电能。而油缸左腔随着活塞右移而产生负压，通过左上单向阀从油箱 111中吸油，补充到油缸左腔。当波峰过去后 ，摆板绕着转轴逆时针旋转 ，带动活塞向左运动，此时，油液会进人马达 121a而带动发电机 123发电。该试验电站的摆宽为 2m，最大摆角为-30。，波高 1.5m，周期 4s时的正常输出功率约为 5kW，总效率可达到 40%～50%，是 日本Hydraulics Pneumatics＆ Seals，NO.01.2013电站中效率较高的-座。

2.2 中国大管岛摆式波浪发电装置1996年，国家海洋技术研究所在山东蚀墨市大管岛承建摆式波浪能发电装置[1]。发电装置由水室、摆板、离合器、液压泵、蓄能器 、液压马达、发电机、电控柜、蓄电池等组成，其中水室和摆板组成波浪能俘获单元，离合器、液压泵、蓄能器、液压马达组成液力转换单元，发电机、电控柜、蓄电池组成电力单元，电力单元采用集中控制形式(见图5)。

电能输出图 5 大管 岛摆式波浪发 电液压转换装置示意 图大管岛发电装置适用于入射波高为 1～6m的设计波况，设计额定功率可达 30kW。其工作原理如图6、图7所示。由图可见，当入射波进入水室后，冲击摆板，使摆板转动，与轴线偏离角度 1，摆板轴同时转动角度1，输出扭矩 M1；入射波冲击摆板后，在剩余能量推动下沿原来方向继续运动，部分水流穿过摆板底部在水室后端遇阻隔，改变了运行方向。产生反射波，同时在摆板 自身的重力作用下，共同推动摆板轴同时转动角度 2，输出扭矩 M2。在波浪不停的运动中，摆板连续摆动，不断地把波浪能转变为机械能，通过摆板轴持续输出。并通过图5中的离合器输入给液压泵，驱动液压马达转动，使发电机处在工作状态 ，开始发电。发电机发出的是交流电，因此需要进行交/直流转换，把交流电转换为直流电，然后进入电池储存。储存的电能，经过逆变，成为标准电压，然后传输给用户。

摆板轴图 6 入射波摆板运动示意图 图 7 反射波摆板运动示意图2.3 芬兰WaveRoler海浪发电机芬兰的AW 能源公司(AW-Energy)开发了-种采用海底波浪动能进行发电的设备，称为 WaveRoler海浪发电机 l21。其安置于海底平 台，见图 8、图 9。

WaveRoler发电机是利用海底波浪现象”(海面下的海水运动)发电(见图 10)。

图 8 WaveRoler海浪发电机图 9 WaveRoler工作原理图 10 海底波浪现象图 ll为 WaveRoUer海浪发电机液压原理图。在海底波浪的推动下 ，装置的浮力摆随着波浪的运动来回摆动而产生动能，经液压缸转换为液压能，由设置在岸上的发电机发电。

厂 八 / 图 1 1 WaveRoler海 浪发 电机液压转换原理图WaveRoler和其他波浪发电的不同在于：(1)设备处于海平面以下 ，安装深度 7-15m，不妨碍海面状态 ，无噪声污染 ，不受暴风雨的影响，且不影响渔船的正常通行；(2)WaveRoler随波浪自然运动；(3)海浪发电机的零件与材料无环境危害；(4)WaveRoler发电机组的叶片可以轻易增加，安装成本低。

3液压 气动 与 密封/2013年 第 01期2003年，WaveRoler发电机首次在芬兰海湾进行小型样机海试试验，如图 12所示。2007年在葡萄牙Peniche进 行 了 WaveRoler l号 样 机 海 试 试 验 。

WaveRoUer 1号浮力摆的尺寸 3mx1.8m。如图 13所示 ，该装置的平均捕获功率可达 13kW。此外 ，WaveRoler海浪发电机所利用的近岸海底波浪。世界各地海岸线都有适宜地点使用。

盘图 12 WaveRoler浮力摆式 图 13 WaveRoller 1号浮力波能装置小型样机 摆式波浪能发电装置2.4 英国 WRASPA波浪发 电装置WRASPA (Wave-driven Resonant，Areuate-action，Surging Power Absorber)是由英国兰开斯特大学发明的- 种浮力摆波浪能发电装置 ，如图 14所示 ，可工作在20～50m的水深区域l3、.41。WRASPA上部活动的摆体。通过铰接与下部结构相连，利用摆动吸收波浪纵荡和纵摇中的能量，转换成机械能，进而转换为电能。该实验装置正在进行概念设计验证(见图 15)。

波图 14 WRASPA样机模型视图 15 WRASPA初始概念设计wRASPA波能转换装置的液压原理如图 16所示。

WRASPA由液压缸、电磁阀、液压马达、蓄能器、交流发电机等部件组成。电磁阀均不通电时，WRASPA摆体摆动带动杆件，使油缸 1缸体下降，油缸 2缸体上升时，或者相反时，液压油经过电磁阀和油路，在两个液压缸中循环流动，此时没有油液进人液压马达闭式循环系统，非发电状态。当电磁阀 3、4、7、8、9通电，电磁阀5，6不通电时，摆体摆动带动杆件，使油缸 1缸体下降，油缸 2缸体4上升时，从油缸 1流出的高压油通过电磁阀，进入液压马达闭式循环系统，推动液压马达 10旋转 ，带动交流发电机 12发电，同时，低压蓄能器向油缸 2补充液压油。

图 16 WRASPA波能转换装置的简化液压 回路原理图波速变化引起的能量波动通过高压蓄能器 13缓和，当波速增大时，高压蓄能器 13储存多余的能量；当波速减小时。高压蓄能器 13释放能量 ，使功率输出曲线达到理想状态。低压蓄能器 14是大容量油路蓄能器，-方面补充油箱的油液，随时可通过低压管路向油缸的低压腔补油，另-方面可吸收液压系统中油液的振动，降低噪声。WRASPA装置经过-系列的实验室水槽实验后 ，2011年进行 了 1：1比例样机海上试验 。

3 嗅介绍了四种摆式波浪发电装置，日本推摆式波力电站 ，中国大管 岛悬挂摆 式波 浪能 装置 ，芬 兰WaveRoler浮力摆式波浪发电装置和英国WRASPA浮力摆式波浪发电装置。悬挂摆式波浪发电装置和浮力摆式波浪发电装置各有特点：悬挂摆式具有较高的能量捕获效率 ，但受限于适用波况 ，对设计要求较高 ；浮力摆式建造难度和成本较悬挂摆式低 ，但由于浮力摆受过多的冲击易损坏，造成整体可靠性较差，在台风等恶劣海洋状况下易造成损坏，影响系统稳定运行。

海洋波浪能发电是-种无污染、清洁、可再生的新能源，进行大规模的开发利用，尚需要深入的基础研究。日本、欧洲和北美的研究仍处于领先地位，我国对波浪能的研究利用起步较晚。目前。山东、辅、广东等沿海地区正在建设、试验-些波浪发电装置。当前摆式波浪发电装置需要解决摆体的能量吸收效率以及液压系统的能量转换效率。