范朝暉，張亞群，李顯豪4，葉 寅

液壓式波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

范朝暉1,2,3，張亞群2,3,?，李顯豪2,3,4，葉 寅2,3

（1. 沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110142；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣州 510640；4. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

液壓式波浪能發(fā)電技術(shù)因成熟度高、輸出穩(wěn)定，是目前發(fā)展較好的波浪能發(fā)電技術(shù)之一。介紹了液壓式波浪能發(fā)電裝置的三大元件和液壓式波浪能發(fā)電系統(tǒng)最新的研究進(jìn)展，提出了液壓式波浪能發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)階段存在的不足，展望了液壓式波浪能發(fā)電技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

波浪能；動(dòng)力攝取系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)

0 引 言

中國(guó)海洋國(guó)土面積有近300萬(wàn)km2，面積巨大，海洋蘊(yùn)藏巨大能量，實(shí)際可開(kāi)發(fā)量較高。海洋能的利用歷史很悠久，中國(guó)波浪能利用技術(shù)研究始于1968年的波浪能動(dòng)力船舶[1]。早期的波浪能發(fā)電裝置（wave energy converter, WEC）功率較小，經(jīng)過(guò)不斷地研究和發(fā)展，技術(shù)在不斷積累和進(jìn)步[2]，裝置多種多樣，產(chǎn)生了一大批大功率實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和預(yù)商用波浪能發(fā)電站。

波浪能發(fā)電技術(shù)按照動(dòng)力傳動(dòng)形式劃分，可分為機(jī)械式、氣壓式、液力式和液壓式四種。機(jī)械式是將捕獲的波浪能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械齒輪或連桿驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，如美國(guó)的“miniWEC”裝置[3]。氣壓式是通過(guò)波浪推動(dòng)氣室內(nèi)的空氣來(lái)推動(dòng)空氣透平進(jìn)行發(fā)電，較為著名的有蘇格蘭的“LIMPET”電站[4]。液力式通過(guò)將波浪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為海水的勢(shì)能，驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，具有代表性的為挪威“Tapchan”波浪能發(fā)電站[5]。液壓式是將俘獲的波浪能轉(zhuǎn)換為高壓液壓能，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，較為先進(jìn)的有中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所的500 kW波浪能發(fā)電裝置“舟山號(hào)”[6]。

在上述四種形式的波浪能發(fā)電技術(shù)中，液壓式通過(guò)蓄能系統(tǒng)可將不穩(wěn)定的波浪能吸收后轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)可使用的電能，具有移峰填谷、裝機(jī)功率大、輸出穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，液壓式波浪能發(fā)電裝置已實(shí)現(xiàn)了實(shí)海況長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行，為遠(yuǎn)海島礁提供了清潔可持續(xù)能源，是目前波浪能發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛、成熟度較高的技術(shù)。

各國(guó)針對(duì)液壓式波浪能發(fā)電技術(shù)都有研究。英國(guó)研制的Pelamis波浪能發(fā)電裝置[7]，當(dāng)裝置隨波浪做上下或左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓通間的液壓缸被拉伸和壓縮，由于鉸接處缸體結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)都受到較大力矩，容易產(chǎn)生磨損。芬蘭的WaveRoller擺式波浪能裝置[8]采用上擺結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)沉于海底，易被腐蝕。英國(guó)的Salter’s Duck裝置[9]由于可靠性不高，沒(méi)有繼續(xù)深入研究。丹麥Wave Star公司的點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置[10]，通過(guò)波浪帶動(dòng)吸波浮子上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)液壓缸進(jìn)行發(fā)電。我國(guó)也對(duì)液壓式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了大量研究，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所在鴨式波浪能發(fā)電裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種形似鷹頭的吸波浮體[11]，結(jié)合半潛船作為主體，液壓發(fā)電系統(tǒng)作為能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，發(fā)電效率和功率都處于世界一流水平。

本文從液壓式波浪能發(fā)電裝置的組成入手，介紹發(fā)電裝置的關(guān)鍵元件技術(shù)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外液壓式波浪能發(fā)電裝置的研究現(xiàn)狀，最后分析現(xiàn)階段液壓式波浪能發(fā)電技術(shù)存在的不足，并提出相應(yīng)的建議。

1 液壓式波浪能發(fā)電裝置的組成

按照能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，液壓式波浪能發(fā)電裝置可分為三級(jí)：第一級(jí)為波浪能俘獲系統(tǒng)，其作用是通過(guò)浮體把波浪能轉(zhuǎn)化為浮體的機(jī)械能；第二級(jí)為液壓式動(dòng)力攝?。╬ower take-off, PTO）系統(tǒng)，其作用是將吸波浮體往復(fù)的機(jī)械能通過(guò)液壓缸轉(zhuǎn)換為液壓油的液壓能再通過(guò)液壓馬達(dá)輸出機(jī)械能；第三級(jí)為發(fā)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其作用是通過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，供負(fù)載使用。液壓式動(dòng)力攝取系統(tǒng)主要由四個(gè)關(guān)鍵元件組成，分別為液壓缸、蓄能器、液壓控制系統(tǒng)和液壓馬達(dá)。

1.1 液壓缸

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，主要應(yīng)用于建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域。

目前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)聚焦于如何提高液壓缸的效率，主要有調(diào)節(jié)活塞有效作用面積和減小缸壁與活塞之間的摩擦力兩種方式。涂福泉等[12]根據(jù)荷葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了一種多腔液壓缸，可調(diào)節(jié)液壓缸的活塞面積控制液壓缸輸出力的大小，如圖1所示。鄭圓圓等[13]研究了不同拋光工藝對(duì)使用陶瓷材料液壓缸的密封和摩擦匹配性能影響規(guī)律。

圖1 多腔式液壓缸原理圖（修改自文獻(xiàn)[12]）

液壓缸用于波浪能發(fā)電裝置，是對(duì)液壓缸的一種新的應(yīng)用方式。目前，研究人員正在進(jìn)行根據(jù)海面波浪的大小調(diào)節(jié)液壓缸活塞面積[14]以達(dá)到最優(yōu)發(fā)電效果方面的研究。

1.2 蓄能器

蓄能器是一種常見(jiàn)的能量?jī)?chǔ)存裝置，能在適當(dāng)時(shí)機(jī)將系統(tǒng)的能量進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放，當(dāng)系統(tǒng)受到較大壓力沖擊時(shí)，也能緩解沖擊，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

海上波浪能發(fā)電不穩(wěn)定，蓄能系統(tǒng)是關(guān)鍵儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)移峰填谷的作用，從而提高裝置的整體發(fā)電效率。當(dāng)前，蓄能器的蓄能密度[15]也是波浪能發(fā)電技術(shù)中的重點(diǎn)研究對(duì)象。

為提高蓄能密度，可通過(guò)在壓縮皮囊內(nèi)加入如氮?dú)獾萚16]特殊氣體，或者改變蓄能器結(jié)構(gòu)。改變蓄能器結(jié)構(gòu)方向上，VEN DE VEN[17]提出了新型的恒壓液壓蓄能器，其原理如圖2所示，當(dāng)液壓油進(jìn)入蓄能器后隔膜面積變大，容積比變大，該恒壓蓄能器的能量密度比傳統(tǒng)蓄能器能量密度提高16%。ZHAO等[18]設(shè)計(jì)了一種采用凸輪機(jī)構(gòu)的恒壓蓄能器，如圖3所示，其能量密度比常規(guī)蓄能器提高了16%。

圖2 活塞面積隨行程變化的蓄能器（修改自文獻(xiàn)[17]）

圖3 凸輪體式蓄能器（修改自文獻(xiàn)[18]）

1.3 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)以流體為媒介，通過(guò)精確控制系統(tǒng)的流量以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)輸出功率。液壓控制系統(tǒng)分為電子機(jī)械式和液壓機(jī)械式兩種，前者通過(guò)壓力流速等傳感器控制電磁閥門(mén)啟閉，后者沒(méi)有電子元器件，完全利用液壓元件控制系統(tǒng)運(yùn)行。

海洋環(huán)境復(fù)雜，波浪能瞬息萬(wàn)變，傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足較好的控制效果。國(guó)內(nèi)多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了新的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。宋瑞銀等[19]通過(guò)實(shí)海況和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了壓力流量比例閥開(kāi)口控制方式的可行性。呂沁等[20]通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出。岳旭輝等[21]通過(guò)比例調(diào)速閥和減壓閥開(kāi)度的調(diào)節(jié)來(lái)改變液壓蓄能系統(tǒng)的流量和壓力，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)高效提取海洋波浪能。高紅等[22]采用模糊比例積分（proportional-integral, PI）控制，基于轉(zhuǎn)速誤差對(duì)變量馬達(dá)進(jìn)行排量控制，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定輸出。姜家強(qiáng)等[23]研發(fā)了一種液壓自治控制器，基于該控制器的液壓控制系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)油壓控制系統(tǒng)主閥的開(kāi)關(guān)和浪況大小實(shí)現(xiàn)0?1發(fā)電，該系統(tǒng)在多個(gè)波浪能發(fā)電裝置的實(shí)海況試驗(yàn)中獲得了良好的效果。

1.4 液壓系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)波浪能液壓發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，目前出現(xiàn)了多種不同的設(shè)計(jì)方案，每種設(shè)計(jì)方案都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。下面對(duì)最新的液壓系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行分別介紹。

宋瑞銀等[19]研究以雙體船為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的液壓發(fā)電系統(tǒng)。平臺(tái)通過(guò)振蕩浮子與雙體船主體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)拉伸和壓縮液壓缸的雙腔進(jìn)行做功，其發(fā)電原理如圖4所示，該平臺(tái)通過(guò)液壓換向橋路將液壓缸的雙腔接入油路，實(shí)現(xiàn)液壓缸的有桿腔和無(wú)桿腔交替做功。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例伺服閥的開(kāi)口度，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)穩(wěn)定的輸出功率。該液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)小功率發(fā)電系統(tǒng)具有良好的實(shí)驗(yàn)效果。

圖4 雙體船式液壓發(fā)電系統(tǒng)（修改自文獻(xiàn)[19]）

陳坤鑫等[24]設(shè)計(jì)了一種小型液壓發(fā)電系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)將液壓油箱、液壓缸等多個(gè)液壓元件進(jìn)行了一體化集成，使用液壓缸有桿腔連接液壓系統(tǒng)，液壓缸無(wú)桿腔連接大氣，該設(shè)計(jì)減小了液壓缸的回復(fù)阻力，使吸波浮子對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)具有很好的響應(yīng)，助力于波浪能液壓發(fā)電系統(tǒng)的小型化。該液壓系統(tǒng)已被應(yīng)用于小型波浪能發(fā)電裝置“海星”系列[25]。

圖5 千瓦級(jí)小型液壓式波浪能裝置能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（修改自文獻(xiàn)[24]）

劉穎昕等[26]設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)將雙向液壓缸集成在波浪能供電浮標(biāo)浮筒內(nèi)部，浮筒主體通過(guò)錨鏈與海底固定，其原理如圖6所示?；诓ɡ说纳舷逻\(yùn)動(dòng)，浮體和浮筒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)液壓缸，將波浪能轉(zhuǎn)化為液壓能用于發(fā)電。該系統(tǒng)中的液壓缸兩端均為有桿腔，同時(shí)參與能量轉(zhuǎn)換。液壓缸與波浪能裝置結(jié)構(gòu)的集成，使裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，成本低，有效延長(zhǎng)了裝置的使用壽命。

圖6 浮筒式波浪能液壓發(fā)電裝置（修改自文獻(xiàn)[26]）

岳旭輝等[21]對(duì)一種擺式液壓PTO系統(tǒng)進(jìn)行了研究，其原理如圖7所示，擺式液壓PTO是通過(guò)擺體末端齒輪帶動(dòng)連接液壓缸的齒條從而帶動(dòng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)，齒輪齒條帶動(dòng)液壓缸的活塞桿同步運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擺體隨著波浪向上時(shí)，下部液壓缸的無(wú)桿腔壓油帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)上端液壓缸從油箱吸油，擺體下擺時(shí)則相反。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)擺體在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液壓油持續(xù)做功，通過(guò)調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥和溢流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率恒定。此種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是液壓缸連接擺板，而擺板可以通過(guò)增大面積來(lái)實(shí)現(xiàn)受力面積的增加，擺板跟隨波浪可以形成較大的力矩，發(fā)電功率較大，可以作為擺式波浪能發(fā)電站來(lái)使用。

圖7 擺式波浪能液壓發(fā)電裝置原理圖（修改自文獻(xiàn)[21]）

呂沁等[20]研制了一種波浪能液壓發(fā)電平臺(tái)“海院1號(hào)”，其原理如圖8所示。在平臺(tái)與三根樁腿的連接處有四對(duì)液壓缸組對(duì)稱(chēng)分布，油缸組與平臺(tái)固定，三根樁腿與海面交界處有浮體，浮體連接波浪板，液壓缸無(wú)桿腔內(nèi)部有彈簧，通過(guò)波浪板的齒頂來(lái)壓縮液壓缸，當(dāng)波浪板的齒根對(duì)應(yīng)液壓缸時(shí)，由于無(wú)桿腔中彈簧的存在，可以使得液壓缸自行伸出，并吸取油箱中的油液準(zhǔn)備下一次循環(huán)。在液壓缸中加入彈簧配合蓄能器能更好地達(dá)到平穩(wěn)波浪沖擊的效果，可為波浪能液壓發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。蔡年琪等[27]基于“海院1號(hào)”液壓式波浪能發(fā)電裝置，針對(duì)蓄能穩(wěn)壓方面進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種含有兩套蓄能器和液壓馬達(dá)的液壓發(fā)電系統(tǒng)，在小浪情況下啟動(dòng)定量馬達(dá)和對(duì)應(yīng)的蓄能器；在大浪情況下啟動(dòng)變量液壓馬達(dá)和對(duì)應(yīng)的蓄能器，在交替工作的模式下實(shí)現(xiàn)了電能的穩(wěn)定輸出。

圖8 “海院1號(hào)”波浪能發(fā)電裝置原理圖（修改自文獻(xiàn)[20]）

2 液壓式波浪能發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀

液壓式波浪能發(fā)電裝置具有裝機(jī)容量大、波浪適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)紛紛展開(kāi)研究。下面對(duì)這些液壓式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行分類(lèi)，并介紹最新的研究成果。

2.1 振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置

振蕩浮子波浪能發(fā)電裝置原理為波浪帶動(dòng)裝置的吸波浮體做上下運(yùn)動(dòng)，并與主體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，液壓缸連接浮子，另一端連接主體，通過(guò)壓縮和拉伸液壓缸進(jìn)行發(fā)電。其優(yōu)勢(shì)是能夠做到裝機(jī)容量大，但仍存在發(fā)電能力受季節(jié)影響較大的問(wèn)題，可采用多能互補(bǔ)來(lái)改善。例如中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所自主研發(fā)的鷹式波浪能發(fā)電裝置[11]，目前已經(jīng)建成了10 ～ 500 kW多個(gè)型號(hào)裝置，并成功開(kāi)展了實(shí)海況運(yùn)行，如圖9為500 kW波浪能發(fā)電裝置“舟山號(hào)”[6]。裝機(jī)容量1 MW的裝置正在建造中，是目前中國(guó)在建裝機(jī)容量最大的波浪能發(fā)電裝置。

圖9 鷹式裝置“舟山號(hào)”[11]

2.2 擺式波浪能發(fā)電裝置

擺式波浪能發(fā)電裝置通過(guò)波浪帶動(dòng)擺體運(yùn)動(dòng)捕獲波浪能，液壓缸兩端分別連接擺體和波浪能發(fā)電裝置的主體。大部分上擺式波浪能發(fā)電裝置采用液壓系統(tǒng)，液壓缸全部浸沒(méi)于海水之中，對(duì)液壓系統(tǒng)的防腐要求較高。擺式液壓波浪能發(fā)電裝置的原理較為簡(jiǎn)單，安裝難度不大，但對(duì)建設(shè)的選址要求較高，特別是離岸式維護(hù)成本較高，在海洋惡劣條件下容易被海水侵蝕和海洋生物附著，需要進(jìn)一步優(yōu)化。該裝置適合在頻率低、推力大的海況下工作。

中國(guó)國(guó)家海洋技術(shù)中心于2012年研發(fā)100 kW浮力擺式波浪能發(fā)電裝置[28]，在山東省即墨市大管島進(jìn)行海試運(yùn)行。芬蘭AW-Energy公司于2019年在葡萄牙佩尼切海域布放了首臺(tái)350 kW擺式波浪能發(fā)電裝置WaveRoller[29]，如圖10所示，并實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)測(cè)試。樊后朋等[30]通過(guò)Matlab/Simulink進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)活塞存在最優(yōu)面積，使得擺式波浪能發(fā)電裝置在給定海況下發(fā)電量最大。

圖10 芬蘭AW-Energy公司擺式波浪能發(fā)電裝置[29]

2.3 筏式波浪能發(fā)電裝置

筏式波浪能發(fā)電裝置通過(guò)相鄰兩塊浮體的鉸接相對(duì)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行拉伸和壓縮，從而捕獲波浪能。筏式波浪能發(fā)電裝置的特點(diǎn)是能夠通過(guò)前端和后端兩條錨鏈，連接多個(gè)筏式波浪能發(fā)電裝置來(lái)同時(shí)發(fā)電，優(yōu)點(diǎn)是多條筏式波浪能發(fā)電裝置并網(wǎng)發(fā)電可形成海上波浪能發(fā)電廠。該類(lèi)型裝置需要較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，缸體在鉸接處所受到的力矩較大，容易產(chǎn)生位移和磨損。

2015年，中國(guó)船舶重工集團(tuán)710研究所的“海龍”一號(hào)[31]項(xiàng)目通過(guò)測(cè)試，最高發(fā)電功率達(dá)到10 kW。英國(guó)海浪能源有限公司自2012年以來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)“Waveline Magnet”浮動(dòng)波浪能設(shè)備[32]，2022年8月在海上開(kāi)展了原型測(cè)試，如圖11所示。梁娜等[33]設(shè)計(jì)了一種基于筏式波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的摩擦納米耦合系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真研究。

圖11 英國(guó)“Waveline Magnet”筏式波浪能發(fā)電裝置[32]

2.4 點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置

點(diǎn)吸收式液壓波浪能發(fā)電系統(tǒng)主要通過(guò)上端浮體與水中阻尼裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)壓縮液壓缸實(shí)現(xiàn)將浮體捕獲的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓系統(tǒng)的液壓能并進(jìn)行發(fā)電。相對(duì)其他類(lèi)型的波浪液壓發(fā)電系統(tǒng)而言，點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置的特點(diǎn)是可以做到小型化，工程周期較短，模塊化程度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性較好。

2015年，中國(guó)海洋大學(xué)研制了10 kW波浪能發(fā)電裝置“海靈號(hào)”[34]并進(jìn)行了實(shí)海況運(yùn)行。丹麥的Wave Star公司對(duì)正在研究的波浪能發(fā)電裝置[10]進(jìn)行了實(shí)海況測(cè)試，其裝置如圖12所示。史宏達(dá)等[35]對(duì)浮子參數(shù)進(jìn)行了理論研究。

圖12 丹麥的Wave Star點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置[10]

3 液壓式波浪能發(fā)電技術(shù)優(yōu)化趨勢(shì)分析

液壓式波浪能發(fā)電技術(shù)雖然已經(jīng)發(fā)展了多年，在多個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。但是，在波浪能發(fā)電行業(yè)中，目前仍有很多技術(shù)有待優(yōu)化：

（1）優(yōu)化蓄能穩(wěn)壓技術(shù)。需要從蓄能器體積及安全系數(shù)兩個(gè)方面著手?？s小蓄能器體積，提高蓄能密度，延長(zhǎng)其使用壽命。

（2）提升液壓發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境友好性。液壓發(fā)電系統(tǒng)目前采用的工質(zhì)為液壓油，一旦泄漏，將對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成很大的影響。亟需研制一種新型的可使用海水作為工質(zhì)的液壓缸，或是提高液壓系統(tǒng)的密封技術(shù)，確保液壓油無(wú)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）優(yōu)化系統(tǒng)關(guān)啟設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)關(guān)閉及啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的沖擊，極易導(dǎo)致液壓元件及管路等機(jī)械部件的損壞和松弛，對(duì)裝置的整體安全性埋下了較大隱患，不利于實(shí)現(xiàn)裝置的無(wú)人值守。需要進(jìn)一步優(yōu)化液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量減小或消除系統(tǒng)關(guān)閉及啟動(dòng)產(chǎn)生的不利影響。

（4）減少管路能量損耗。針對(duì)液壓式波浪能發(fā)電的管路設(shè)計(jì)形式多樣，但是目前設(shè)計(jì)的重點(diǎn)集中于如何提高及實(shí)現(xiàn)主要元器件的高安全性、高效性，很少關(guān)注系統(tǒng)中液壓管路的能量損耗，對(duì)管路設(shè)計(jì)及阻力的優(yōu)化不足。

（5）控制液壓馬達(dá)排量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。在海洋環(huán)境復(fù)雜、波浪能瞬息萬(wàn)變的情況下對(duì)液壓系統(tǒng)控制非常重要。可以通過(guò)系統(tǒng)壓力來(lái)控制液壓馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電功率的穩(wěn)定輸出。

4 結(jié) 論

液壓式波浪能發(fā)電裝置因其裝機(jī)容量大，隨波適應(yīng)性好，適應(yīng)實(shí)海況波浪能量大、頻率低的特點(diǎn)，是一種較好的波浪能發(fā)電技術(shù)，國(guó)內(nèi)外紛紛開(kāi)展研究，對(duì)于液壓式波浪能發(fā)電裝置的設(shè)想多種多樣，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)展，很多方案已經(jīng)建成并完成了實(shí)海況實(shí)驗(yàn)，取得了較好的成果。但大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍然面臨許多問(wèn)題，例如發(fā)電成本高、裝置壽命短以及獨(dú)立運(yùn)行維護(hù)成本較高等問(wèn)題。在當(dāng)前能源危機(jī)越發(fā)嚴(yán)重和低碳發(fā)展日益被國(guó)際重視的情況下，液壓式波浪能發(fā)電系統(tǒng)作為利用海上清潔能源方式的一種，是一個(gè)需要大力發(fā)展的研究課題，有望推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

[1] 余志. 我國(guó)海洋波浪能的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 太陽(yáng)能, 1995(4): 18-19, 22. DOI: 10.19911/j.1003-0417.1995. 04.008.

[2] 漆焱. 波浪能發(fā)電過(guò)程模擬及電能轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué), 2019.

[3] BROWN A, THOMSON J, RUSCH C. Hydrodynamic coefficients of heave plates, with application to wave energy conversion[J]. IEEE journal of oceanic engineering, 2018, 43(4): 983-996. DOI: 10.1109/JOE. 2017.2762258.

[4] BOAKE C B, WHITTAKER T J T, FOLLEY M, et al. Overview and initial operational experience of the LIMPET wave energy plant[C]//Proceedings of the Twelfth (2002) International Offshore and Polar Engineering Conference. Cupertino: International Society Offshore & Polar Engineers, 2002: 586-594.

[5] MENDOZA E, CHáVEZ X, ALCéRRECA-HUERTA J C, et al. Hydrodynamic behavior of a new wave energy convertor: The Blow-Jet[J]. Ocean engineering, 2015, 106: 252-260. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2015.06.036.

[6] 我國(guó)首臺(tái)500千瓦波浪能發(fā)電裝置“舟山號(hào)”交付[J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)察, 2020(7): 9.

[7] DALTON G J, ALCORN R, LEWIS T. Case study feasibility analysis of the Pelamis wave energy convertor in Ireland, Portugal and North America[J]. Renewable energy, 2010, 35(2): 443-455. DOI:10.1016/j.renene. 2009.07.003.

[8] 石世寧, 訚耀保. 擺式海洋波浪能量轉(zhuǎn)換原理與應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封, 2013, 33(1): 1-5.

[9] GREENHOW M, VINJE T, BREVIG P, et al. A theoretical and experimental study of the capsize of Salter’s duck in extreme waves[J]. Journal of fluid mechanics, 1982, 118: 221-239. DOI:10.1017/ S0022112082001050.

[10] HANSEN R H, KRAMER M M, VIDAL E. Discrete displacement hydraulic power take-off system for the wavestar wave energy converter[J]. Energies, 2013, 6(8): 4001-4044. DOI: 10.3390/en6084001.

[11] 盛松偉, 張亞群, 王坤林, 等. “鷹式一號(hào)”波浪能發(fā)電裝置研究[J]. 船舶工程, 2015, 37(9): 104-108. DOI: 10.13788/j.cnki.cbgc.2015.09.104.

[12] 涂福泉, 石理, 汪曙峰, 等. 仿蓮式結(jié)構(gòu)多腔液壓缸的設(shè)計(jì)及仿真分析[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2022, 45(6): 446-454. DOI: 10.3969/j.issn.1674-3644.2022.06.007.

[13] 鄭圓圓, 何冰, 金全明, 等. 不同拋光工藝對(duì)涂層形貌及其摩擦磨損性能的影響[J]. 液壓氣動(dòng)與密封, 2022, 42(5): 76-80. DOI: 10.3969/j.issn.1008-0813.2022.05.018.

[14] 李華瑩, 晁智強(qiáng), 強(qiáng)一飛, 等. 足式機(jī)器人液壓系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件, 2020(6): 206-208. DOI: 10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2020.06.105.

[15] 瞿煒煒, 周連佺, 張楚, 等. 液壓儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 液壓與氣動(dòng), 2022, 46(6): 93-100. DOI: 10.11832/j.issn.1000-4858.2022.06.011.

[16] 張亞群, 盛松偉, 游亞戈, 等. 波浪能裝置液壓式蓄能系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓, 2016, 44(5): 117-121. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3881.2016.05.030.

[17] VAN DE VEN J D. Constant pressure hydraulic energy storage through a variable area piston hydraulic accumulator[J]. Applied energy, 2013, 105: 262-270. DOI: 10.1016/j.apenergy.2012.12.059.

[18] ZHAO D L, GE W J, MO X J, et al. Design of a new hydraulic accumulator for transient large flow compensation[J]. Energies, 2019, 12(16): 1-17.

[19] 宋瑞銀, 吳映江, 陳凱翔, 等. 雙體船式波浪能發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2019, 40(8): 2236-2243. DOI: 10.19912/j.0254-0096.2019.08.019.

[20] 呂沁, 李德堂, 唐文濤, 等. 基于液壓傳動(dòng)的振蕩浮子式波浪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2016, 50(2): 234-240. DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X. 2016.02.006.

[21] 岳旭輝, 陳啟卷, 許志翔, 等. 2 kW波力發(fā)電液壓動(dòng)力輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真分析[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2018, 37(3): 113-120. DOI: 10.11660/slfdxb.20180313.

[22] 高紅, 肖杰. 基于模糊PI的波浪能液壓轉(zhuǎn)化系統(tǒng)平穩(wěn)控制研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2021, 57(10): 267-276. DOI: 10.3901/JME.2021.10.267.

[23] 姜家強(qiáng), 游亞戈, 盛松偉, 等. 一種波浪能裝置液壓自治控制器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2014, 35(4): 594-598. DOI: 10.3969/j.issn.0254-0096.2014.04.007.

[24] 陳坤鑫, 盛松偉, 姜家強(qiáng), 等. 千瓦級(jí)小型液壓式波浪能裝置能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2022, 43(7): 471-476. DOI: 10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1107.

[25] 王文勝, 姜家強(qiáng), 盛松偉. 一種多浮體鉸接式波浪能裝置的運(yùn)動(dòng)分析與俘獲特性研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2023, 44(02): 218-223. DOI: 10.19912/j.0254-0096.tynxb. 2021-1062.

[26] 劉穎昕, 秦健, 劉延俊. 液壓蓄能式波浪能發(fā)電裝置關(guān)鍵參數(shù)分析[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2021, 51(6): 1-8. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2020.429.

[27] 蔡年琪, 李德堂. 基于“海院1號(hào)”蓄能發(fā)電系統(tǒng)的AMESim建模分析[J]. 能源與節(jié)能, 2023(2): 11-18, 72. DOI: 10.16643/j.cnki.14-1360/td.2023.02.017.

[28] 劉延俊, 賀彤彤. 波浪能利用發(fā)展歷史與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 36(4): 76-81.

[29] CHENG Y, JI C, ZHAI G. Fully nonlinear analysis incorporating viscous effects for hydrodynamics of an oscillating wave surge converter with nonlinear power take-off system[J]. Energy, 2019, 179: 1067-1081. DOI: 10.1016/j.energy.2019.04.189.

[30] 樊后朋, 孫亮, 韓松林, 等. 擺式波能發(fā)電裝置在不規(guī)則波中的性能分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2022, 43(2): 82-87. DOI: 10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0335.

[31] 史宏達(dá), 王傳崑. 我國(guó)海洋能技術(shù)的進(jìn)展與展望[J]. 太陽(yáng)能, 2017(3): 30-37.

[32] WM9.1 WEC PROTOTYPE SPECS – Swel[EB/OL]. [2023-08-22]. https://swel.eu/wm9-1-wec-prototype-specs/.

[33] 梁娜, 苗成旭, 崔慧, 等. 筏式波浪能轉(zhuǎn)換和摩擦納米發(fā)電機(jī)能量輸出耦合系統(tǒng)的模擬研究[J]. 新能源進(jìn)展, 2022, 10(3): 265-270. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X. 2022.03.011.

[34] 劉艷嬌, 彭愛(ài)武, 黃銘冶. 海洋波浪能發(fā)電裝置PTO系統(tǒng)研究進(jìn)展[J/OL]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào): 1-13[2023-08-07]. DOI: 10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1229.

[35] 史宏達(dá), 曲娜, 曹飛飛, 等. 振蕩浮子波能發(fā)電裝置浮子運(yùn)動(dòng)性能的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(6): 124-130, 145. DOI: 10.16441/j. cnki.hdxb.20150025.

Research Status and Prospect of Hydraulic Wave Energy Power Generation Technology

FAN Zhaohui1,2,3, ZHANG Yaqun2,3,?, LI Xianhao2,3,4, YE Yin2,3

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China;2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;4. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Hydraulic wave power generation technology is one of the well-developed wave power generation technologies due to its high maturity and stable output. This paper introduces the three major mechanisms of hydraulic wave energy generation device and the latest research of hydraulic wave energy generation system. The shortcomings of the hydraulic wave energy generation system at this stage are proposed.The future development trend of hydraulic wave power generation technology is prospected.

wave energy; power take-off; hydraulic system

2095-560X（2023）04-0388-07

TK7；TM612

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.04.012

2023-04-06

2023-05-04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFD2401201）

張亞群，E-mail：zhangyq@ms.giec.ac.cn

范朝暉, 張亞群, 李顯豪, 等. 液壓式波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 新能源進(jìn)展, 2023, 11(4): 388-394.

： FAN Zhaohui, ZHANG Yaqun, LI Xianhao, et al. Research status and prospect of hydraulic wave energy power generation technology[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(4): 388-394.

范朝暉（1995-），男，碩士研究生，主要從事液壓式波浪能動(dòng)力攝取系統(tǒng)設(shè)計(jì)和利用研究。

張亞群（1981-），女，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事波浪能開(kāi)發(fā)及利用技術(shù)研究。