基于蓄能器的液壓傳動系統(tǒng)研究

華軍 李德堂 陳麗雪 申宏群 賴文斌

摘要：為充分利用海洋可再生能源，文章針對波浪能具有不穩(wěn)定和不連續(xù)的特點，設(shè)計采用帶有蓄能器的液壓傳動系統(tǒng)，保障波浪能發(fā)電裝置穩(wěn)定地輸出電能;利用AMESim對液壓系統(tǒng)進行仿真，分別研究蓄能器對電能輸出的影響以及蓄能器的釋放壓力對永磁發(fā)電機的影響，并搭建應(yīng)用蓄能器的搖臂式波能發(fā)電平臺進行實驗驗證。仿真與實驗結(jié)果表明：具有蓄能器的液壓傳動系統(tǒng)電能輸出穩(wěn)定，且合適的釋放壓力可優(yōu)化液壓系統(tǒng)和發(fā)電機的輸出，可為實海況應(yīng)用提供理論支持。

關(guān)鍵詞：蓄能器;液壓傳動;波浪能;永磁發(fā)電機;釋放壓力

中圖分類號：TK02;P7432;TM313文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1005-9857（2019）12-0080-05

Hydraulic Transmission System Based on Accumulator

HUA Jun，LI Detang，CHEN Lixue，SHEN Hongqun，LAI Wenbin

（Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China）

Abstract： In order to make full use of the marine renewable energy and for the unstable and discontinuous characteristic of wave energy，the design adopted the hydraulic transmission system with accumulator to make the electric energy output of the wave generator platform stable.In this paper，AMESim was used to simulate the hydraulic system，the effect of the accumulator to electricity output and size of permanent magnet generator system in the accumulator to relieve pressure were studied respectively.After that，the rocker arm wave energy generation platform with accumulator was built for experimental verification.The results of simulation and experiment showed that the power output of hydraulic drive system with accumulator was stable and the output of hydraulic system and generator could be optimized with appropriate pressure，which could provide theoretical support for the real sea application.

Key words：Accumulator，Hydraulic drive，Wave energy，Permanent magnet generator，Release pressure

0引言

21世紀(jì)以來，波浪能發(fā)電技術(shù)逐漸成為可再生能源技術(shù)領(lǐng)域的熱點，各種形式的波浪能發(fā)電裝置不斷涌現(xiàn)[1-3]。日本科學(xué)家最初設(shè)計并制造振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，利用浮子在波浪作用下的上下振蕩，通過機械傳動系統(tǒng)帶動發(fā)電機發(fā)電[4]。目前根據(jù)波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)形式，可將其分為振蕩水柱式、越浪式、閥式和浮力擺式等[5]。早期的波浪能發(fā)電系統(tǒng)大多運用機械齒輪之間的咬合轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動發(fā)電，而機械傳動的過程存在齒輪箱易損壞、水下維修困難和傳動效率低等缺點[6]。根據(jù)眾多科學(xué)家的研究成果，液壓動力傳動系統(tǒng)具有傳動平穩(wěn)、調(diào)速方便和功率體積比大等優(yōu)良特性[7-9]。

本研究提出基于蓄能器的液壓傳動系統(tǒng)波浪能發(fā)電裝置，利用AMESim軟件對液壓回路進行仿真，研究蓄能器的作用;在預(yù)設(shè)壓力一定的條件下，研究釋放壓力對輸出電能的影響，搭建以液壓傳動為基礎(chǔ)的搖臂式波浪能發(fā)電平臺，驗證仿真數(shù)據(jù)的正確性，從而為蓄能器的應(yīng)用提供有力支持。

1液壓系統(tǒng)的組成部分和工作原理

液壓系統(tǒng)的主要組成部分如圖1所示。

在液壓傳動系統(tǒng)中，波浪作用于浮子，浮子推動油缸，單向閥控制高置油柜中的液壓油進出，液壓油缸進行吸油和排油循環(huán)。這種油缸設(shè)計在浮子上升和下降時都能推動油缸運動以獲取波浪能，提高波浪能的利用率。本系統(tǒng)采用蓄能器儲能技術(shù)，既可儲存能量，又可保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定：在波浪較大時，多余的能量會進入蓄能器;在波浪較小時，蓄能器將釋放儲能，使永磁發(fā)電機穩(wěn)定輸出;在波浪特別大時，液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力處于過高的狀態(tài)，溢流閥將開啟并將壓力釋放，保證系統(tǒng)穩(wěn)壓，同時保護系統(tǒng)。

2數(shù)學(xué)建模

實驗采用氣囊式蓄能器，結(jié)構(gòu)為圓柱形外剛體，由內(nèi)部氣囊、進油口和充氣口等部分組成，充氣氣體（氮氣）和工作液體（液壓油）由氣囊隔離。此種蓄能器的優(yōu)點是慣性小、反應(yīng)迅速、重量輕、占用空間小和安裝維護方便。

蓄能器的工作過程包括充液階段（蓄存能量）和排液階段（釋放能量），其工作狀態(tài)滿足理想氣體狀態(tài)方程，計算公式為：

3液壓系統(tǒng)的仿真和實驗

31仿真模型

利用液壓軟件AMESim進行仿真，仿真元件庫分別為Signal control、Mechanical和Hydraulic。首先進入sketch mode選取各個庫中的元件并連線，然后進入submode mode選取元件函數(shù)模型，本次仿真沒有特殊元件可進入premier mode為元件分配常規(guī)函數(shù)模型。建模過程中均忽略溫度和系統(tǒng)管道的影響[10]（表1）。

波浪的傳播形式類似于正弦函數(shù)，因此輸入信號為sin函數(shù)，頻率為1 Hz，幅值為02 m，相位分別為π4、π2、3π4、π、5π4、3π2、7π4、2π，不同相位的正弦函數(shù)信號疊加可模擬真實波浪的不規(guī)則性。液壓仿真系統(tǒng)如圖2所示。

32蓄能器對永磁發(fā)電機的影響

當(dāng)液壓仿真系統(tǒng)中未加入蓄能器時，波峰推動浮子平臺獲取波浪能，液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力瞬間增大，液壓油進入管道直接帶動液壓馬達轉(zhuǎn)動;波谷時液壓系統(tǒng)內(nèi)部失去壓強，液壓油幾乎停滯，液壓馬達失去動力并停止轉(zhuǎn)動。末端永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速非常不穩(wěn)定，短時間內(nèi)最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速相差25 revmin;剛啟動情況下扭矩在3 s內(nèi)最高達到60 Nm，穩(wěn)定情況下最高扭矩與最低扭矩相差34～36 Nm，在2 s內(nèi)又幾乎降為0，期間發(fā)電機間歇轉(zhuǎn)動，設(shè)備極易損壞且發(fā)電效果差（圖3）。

液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓強的變化導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速和扭矩的變化，三者變化趨勢基本一致，符合實際情況（圖4）。

根據(jù)對仿真曲線的比較，有蓄能器的液壓系統(tǒng)明顯優(yōu)于無蓄能器的液壓系統(tǒng)，蓄能器為整個平臺提供穩(wěn)定的輸出保障，有利于能量的傳遞和運用。

33蓄能器的釋放壓力對永磁發(fā)電機的影響

蓄能器的預(yù)設(shè)壓力為06 MPa，將其釋放壓力分別設(shè)置為18 MPa和20 MPa。經(jīng)比較可知，蓄能器的釋放壓力越大，永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和扭矩越大，且波動幅度越小，其中：蓄能器的釋放壓力為18 MPa時，永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和扭矩分別為152 revmin 和150 Nm;蓄能器的釋放壓力為20 MPa時，永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和扭矩分別為175 revmin和175 Nm。此外，當(dāng)釋放壓力為18 MPa時系統(tǒng)內(nèi)部壓強為16 MPa，當(dāng)釋放壓力為20 MPa時系統(tǒng)內(nèi)部壓強為18 MPa，且隨著釋放壓力的增大，液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓強越來越穩(wěn)定（圖7）。

當(dāng)其他條件相同時，蓄能器的釋放壓力越大，其出油量越大，管道內(nèi)液壓油的流量變大，導(dǎo)致液壓馬達和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變快。同時，系統(tǒng)內(nèi)部壓強越大，抗干擾能力越強，波浪小幅變化對電能輸出的影響越小。但蓄能器的釋放壓力不能無限度地增大，液壓系統(tǒng)壓力過高將由于反作用力而無法工作。因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)備情況選擇合適的釋放壓力。

34實驗

本實驗在浙江海洋大學(xué)水動力實驗室的水池內(nèi)進行，水池深為35 m，造波機造波的波高為016 m、周期為3 s。蓄能器的容積為60 L，預(yù)設(shè)壓力為06 MPa，釋放壓力為18 MPa。利用電壓電流傳感器，測量搖臂式波浪能發(fā)電裝置的輸出電壓和電流（圖8）。

開啟造波后，當(dāng)負載LED穩(wěn)定發(fā)亮?xí)r打開測試軟件，平臺輸出電壓約為25 V、電流約為046 A。曲線有波動但整體穩(wěn)定，表明有蓄能器的波浪能發(fā)電系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

可再生能源是未來新能源的發(fā)展趨勢，其中波浪能的獲取相對簡單。本研究利用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進行仿真，并分別研究蓄能器的作用及其釋放壓力對永磁發(fā)電機的影響。通過仿真和實驗驗證，蓄能器可讓發(fā)電機間歇發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)發(fā)電，并減少快速啟停對設(shè)備的損耗。在蓄能器的預(yù)設(shè)壓力一定時，隨著蓄能器釋放壓力的增大，液壓系統(tǒng)的輸出功率趨向平穩(wěn)。

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