基于悬臂结构的浮子式波浪能发电装置设计

纪贤璋，段元奕，刘家博

（1.广西民族大学电子信息学院，广西 南宁 530006；2.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590）

传统能源如今正面临着资源枯竭、环境污染、成本高昂等诸多问题，可重复利用的新型能源已经成为当今科学界研究发展的重点方向。太阳能、风能等新型能源的开发利用已经有了比较成熟的技术；而波浪能作为一种分布广阔、储量巨大、安全无污染的新型能源，以其多样化的利用方式和极具潜力的发展空间受到越来越多的关注。据估计，全世界海洋的波浪能共有9 亿kW，占海洋中总能量的95%。而我国陆地海岸线长达18 000 多km，大小岛屿6 960 多个，波浪能资源十分丰富，利用波浪能进行发电具有非常大的发展空间。

要提高波浪能发电装置的效率，第一级能量转换系统的设计尤为重要。由于浮子式波浪能发电装置结构简单，波浪能利用率高，因此受到许多研究者的关注。现在固然已经有了许多不同的浮子结构，但在这一方面仍存在许多有待创新和开发之处。该设计就是从这里入手，通过设计新型浮子式发电装置结构，希望能够提高波浪能的捕获效率。

1 基本原理概述

在波浪力作用下，一方面，浮子的上下运动可以直接用于推动液压缸转换为液压能，或者利用直线电机发电、电磁感应等原理转换为电能；另一方面，浮子的上下运动也可以通过悬臂、杠杆等结构转换为回转运动，带动液压泵或发电机发电。由于前者用于发电的理论尚不成熟，且存在能量转换不稳定等问题，因此该设计在悬臂结构浮子式发电装置的基础上进行改进[1]。

第一级能量转换系统的工作原理，即捕获波浪能，转换为悬臂等机械结构的机械能。分析现有的悬臂结构的发电装置，可以发现都有一个相同的特点，那就是悬臂一端放置浮子，另一端以回转副固定在基座上。波浪力作用在浮子上，使悬臂绕固定端旋转。这样的传动结构造成悬臂在浮子带动下转动的角度很小，即在一定波浪力作用下，悬臂对液压泵或发电机做功小，转换的波浪能小。这是因为单个浮子只能利用一个周期的波浪运动，而前后其他周期的波浪运动则完全没有被利用起来，所以导致对波浪能的转换效率低。针对这一问题，该设计提出一种全新的悬臂式结构，即使得原悬臂固定端也能随着波浪运动而运动。在满足一定条件（波长与悬臂长的关系等） 的情况下，可以使得悬臂做旋转运动的相对角度大大增加。

和传统的悬臂结构相比较，由于支架也能够在波浪力作用下做起伏运动，和工作浮子的起伏运动叠加后，悬臂的相对摆角变大了，因此在整个工作周期内，悬臂做功大大增加，波浪能的转换效率得到了提高。这是因为推动支架运动的波浪也对系统有效做功的缘故。

2 装置结构简图

该设计包括浮子、悬臂、支架等。第117页图1 为运动模拟图，直观地展示了在波浪力作用下浮子和悬臂的模拟运动状况，图中可见模拟波浪。该装置在两侧水平轴支撑下可以相对于波浪左右移动，模拟当该装置固定在安装平台上时随波浪波动的过程。该设计的核心之处，在于可上下运动的悬臂支架，其结构简图见图2[2]。

竖直滑轨固定不动，与支架轴垂直。支架轴一端嵌套在滑块中，滑块与竖直滑轨组合在一起。在波浪力作用下，支架浮子带动支架沿着竖直滑轨轨道上下运动。该设计分别在支架两侧都安装了一套悬臂浮子结构，称为一组。沿着支架轴共有3 组。在实际制造的时候，人们可以根据安装平台的大小和对发电功率的要求自主选择悬臂组数，只需要简单修改支架轴结构就能实现，非常简单[3]。

3 装置结构解析

3.1 液压系统输入稳定性机械结构设计

把支架轴设计成曲轴，这一结构设计的目的在于利用相位关系保证第二级能量转换装置（即液压系统） 内部压力基本恒定。波浪可近似为正弦波，根据正弦波相位特性，若有3 个振幅和频率相同的波，相位差均为120°，则它们输出振幅之和Asin（ωt）+Asin（ωt+120°）+Asin（ωt-120°）是常数。

将这一特点和液压系统结合，即保证3 个液压泵输入时相位差为120°，就能在一定程度上确保系统内部压力恒定，也就保证了能量输出的稳定性。当波的数量改变时，也有相应的相位关系以满足此现象。这一结构设计正是基于以上原理。

3.2 支架轴布局设计

与传统悬臂结构的浮子式波浪能发电装置不同，在该设计中，由于支架不固定，因此原先固定在安装平台上的传动装置（如齿轮箱和液压泵） 也需要随着支架而运动。针对这一问题，需要专门对支架轴进行设计。支架轴总体设计见图3，为方便起见，只画出了一组悬臂。该装置两侧为滑块，滑块上安装有与滑轨相配合的矩形导向轨。滑块中空，既减轻质量，又便于液压管道通过。滑块前面开孔，与支架之间通过滑动轴承连接[4]。

两个悬臂之间支架保持周向固定，安装在支架浮子上的一个腔体，内部中空。在这里安装有齿轮换向增速箱和液压泵箱。当悬臂随波浪运动摆动时，通过安装在支架上的输入轴，将转矩和转速输入齿轮换向增速箱。在这里，双向转动被转换成单向输出，且通过齿轮换向增速箱增速后输入液压泵箱，带动液压泵压入液压油。液压油经输入管道从安装在安装平台上的油箱输入，再通过输出管道输入安装在安装平台另一侧的液压马达使其转动，带动发电机进行发电。腔体上部安装有盖板，与滑块之间有检修通道连接，便于工作人员安装齿轮换向增速箱等装置，以及进行例行维修和保养。

考虑到在安装了齿轮换向增速箱和液压泵箱后支架质量可能的增加，浮子吃水加深，会影响到对波浪能的吸收效率，可以在滑块下面安装液压顶杆或弹簧平衡增加的质量，以保证各组浮子能够工作在最佳捕能效率位置。

3.3 安装平台设计

双体船具有可利用空间大、承载能力高、抗波性能良好等优点，非常适合用来作为安装该装置的安装平台。安装平台双体船设计简图见第118页图4。双体船船体上安装有竖直滑轨，浮子主体和滑轨配合，安装在双体船的中间。浮子支架上伸出的液压软管通过滑轨上特别制作的槽连接到安装平台上。安装平台上紧贴滑轨两侧分别安装有液压油箱和液压马达箱，二者又通过安装平台上的液压管道连通。这样就构成了一个完整的液压回路。液压马达一侧布置发电机组以及其他一些辅助设备。产生的电能通过双体船拖拽的海底电缆输送至岸上。如果要在远海发电，则将电能储存在蓄电池中，但这样将极大地影响工作效率[4]。

与固定式安装平台相比，双体船不受工作海域深度影响，且能在拖船拖拽下灵活移动。在一年中适合发电的时间里可以移动至目标海域工作，其他时间则回厂维修保养。遭遇破坏性的大风浪时也可以移动至安全海域暂时躲避，提高了该装置的可靠性。

3.4 齿轮换向增速箱的设计

一方面，由于在波浪力作用下，悬臂的摆动运动具有大扭矩、低转速的特点，因此如果要带动液压泵正常工作，需要设计齿轮增速机构。另一方面，由于悬臂摆动具有双向性，而液压泵需要单向输入，因此齿轮增速机构还需要具有换向功能。设计的齿轮换向增速箱具有这两项功能，其主体部分为齿轮加速器，齿轮加速器简图见图5。

齿轮加速器平面示意图见图6。其中，轴1 和轴2 都安装有单向轴承，假设向上的箭头代表顺时针旋转，向下的箭头代表逆时针旋转。

当输入轴按图6 所示方向逆时针旋转时，由于轴2 的单向轴承只允许轴逆时针旋转，于是使与输入轴啮合的齿轮在单向轴承的作用下空转，转矩通过轴1 传导至输出轴，输出轴为逆时针旋转。

当输入轴按图6 所示方向顺时针旋转时，由于轴1 的单向轴承只允许轴顺时针旋转，于是使轴1中与输入轴啮合的齿轮在单向轴承的作用下空转，转矩通过轴2 传导至输出轴，输出轴仍然为逆时针旋转，这就保证了输出轴永远做单向的转动。

当输入轴的转向不同时，转速可通过三级展开式圆柱齿轮加速器和四级展开式圆柱齿轮加速器进行加速，但两个加速器要保证总传动比相同。该设计以三级展开式圆柱齿轮加速器，计算加速器加速的最大值。查手册可知，输出转速与输入转速的最大比值可为400。如果选用八级精度的齿轮制作此加速器，那么查表可知一对滚动轴承的效率为0.995 5，齿轮传动的效率为0.985 4，则此加速器的总效率η=0.995 5×0.985 4=0.981 0。

3.5 第二级能量转换系统的设计

因为波浪运动的复杂性和不确定性，第一级能量转换系统捕获的波浪能转换成的机械能也是不稳定、不连续的，所以需要通过第二级能量转换系统（即液压系统） 将不稳定的机械能转换为稳定的液压能，从而将能量最终稳定地输出给发电机，提高发电效率。在发电机输入轴匀速转动时，转子受力可以由洛伦兹力计算。当液压系统输出恒压并且液压马达输出匀速时，由牛顿第二定律，液压马达输出转矩为恒定，与其输出轴相连的发电机转子所受阻力同样恒定。若发电机内部磁场恒定，则转子转速也是恒定的，产生的动生电动势也是恒定的。因此，稳定液压系统的输出压力，就可以在很大程度上稳定发电机产生的电能。为稳定液压系统输出压强，该设计采取三级稳压的形式。

第一级是三相供油泵。波浪能捕获装置将波浪运动的机械能转换成关节处旋转运动的机械能，而这些机械能又可以经过加速器输送到油泵中，使油泵动作，输送油液。假设波浪是正弦波，通过结构设计，将每一条线上的捕获装置设置成3 个，每波浪的相位120°放置一个。这样液压系统的输出压强为三相中的最高压[5]。

第二级为能量转换模块的蓄能器。油液被泵送入系统之后，存储在蓄能器中，由于空气的弹性模量比较大，容易压缩，因此蓄能器可以存入一部分压力稳定的油液。经过蓄能器稳压之后，输出更为稳定。

第三级是补油。在主油路中使用蓄能器在实际中已经有了比较多的运用。考虑到这一结构尚存在的缺陷，在极端情况下稳压性能较差，该设计采用了一种新式的液压系统，增加了一条补油油路。如果波浪较大，出现蓄能器饱和的状态，多余油液的压力可以将顺序阀开启，油液流入马达，带动补油泵动作，将油液存入蓄能器；如果波浪较小，蓄能器压力低于设定的系统最低压力，在压力差的作用下，插装阀会开启，补油路中的蓄能器里的油液会流入主油路中，补充压力，直到压力达到最低值。

4 发电系统的设计

对于发电系统，使用现有的波浪能发电装置发电机组的设计。为达到最好的发电效果，需要根据负载形式选择合适的发电机类型，匹配液压马达输出转速和发电机的额定输入转速，如果采用蓄电池，还需要设计合理的整流稳压、逆变器电路等[6]。

选用同步发电机作为发电装置。投入并联进行的调节和操作过程，称为同步过程。同步方法采用自同步法。在相序一致的情况下，将励磁绕组通过适当的电阻短接；用原动机把发电机拖动到接近同步速（相差2%~5%）；在没有接通励磁电流的情况下，将发电机接入电网；再接通励磁并调节励磁强弱，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速。

5 结束语

该设计结合浮子式和筏式波浪能发电装置的优点，既具有高的波浪能吸收效率，又满足高可靠性要求；以双体船作为安装平台，除浮子外，增速箱、液压系统、发电机组等部件均不与海水直接接触，减少了腐蚀，便于维护人员维修和护理，并提高了对极端气候的抵抗能力；创新设计了新式的液压系统，在利用较少的器件和简单的回路设计的情况下，显著提高了液压系统的稳压性能，减少了液压系统的能量损耗，提高了发电效率。

该设计在现有悬臂结构浮子式波浪能发电装置的基础上，创新地将悬臂支架设计为可随波浪运动上下浮动的结构，在满足一定波长条件的前提下，能够很大程度地增大悬臂的相对摆角，从而显著提高了浮子式波浪能发电装置对波浪能的捕获效率。