新型高效的波浪能發(fā)電裝置的機(jī)理研究

戴 創(chuàng) ,殷秀興 ,徐毓賢 ,蔣占四

(1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院,武漢 430072)

海洋波浪能作為一種清潔、可再生的能源,受到越來越多沿海國家及地區(qū)的重視[1-2]。若開發(fā)海洋波浪能蘊(yùn)含的巨大價(jià)值,需研制、開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)將波浪動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的波浪能發(fā)電裝置(wave energy converter,簡稱WEC)。目前,主要存在收縮波道式、振蕩水柱式、鴨式及擺式或點(diǎn)吸收式、筏式、振蕩浮子式等[3]結(jié)構(gòu)形式。能量轉(zhuǎn)換器(power take off,簡稱PTO)是波浪能發(fā)電裝置的核心能量轉(zhuǎn)換單元[4]。液壓式PTO 是一種實(shí)用且吸收功率較大的設(shè)計(jì)方案。張大海等[5]提出一種偏擺液壓式發(fā)電裝置,可收集波浪反復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能;葉寅等[6]研究了液壓式發(fā)電設(shè)備的發(fā)電系統(tǒng);Wei等[7]研究了多液壓泵、多液壓馬達(dá)組合的液壓回路的自適應(yīng)性能;盛松偉等[8]對國內(nèi)的100 kW 大型漂浮式波浪能發(fā)電裝置“萬山號”進(jìn)行了海上實(shí)驗(yàn);顧煜炯等[9]研究了一種振蕩浮子和液壓系統(tǒng)相結(jié)合的波浪能發(fā)電裝置。點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置[10]體積較小,較容易形成規(guī)模發(fā)電。Sergiienko等[11]研究了不同類型的繩系直線發(fā)電機(jī)的波浪能發(fā)電裝置;Rao等[12]對2種采用直線永磁發(fā)電機(jī)形式的波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了建模仿真和最優(yōu)化設(shè)計(jì)分析;Xia等[13]研究了一種磁場調(diào)制型管狀的直線發(fā)電機(jī)式的波浪能發(fā)電裝置,以期提高波浪發(fā)電的效率和質(zhì)量。Liang等[14]設(shè)計(jì)了一種帶有機(jī)械運(yùn)動(dòng)整流器的PTO,將單向離合器集成到齒條系統(tǒng)中,可實(shí)現(xiàn)將浮標(biāo)上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn);Li等[15-16]將齒條改成2個(gè)錐齒輪,縮小了整體體積,并對MMR進(jìn)行了改進(jìn),舍棄一個(gè)錐齒輪,增加了一個(gè)飛輪裝置,進(jìn)而提高了能量吸收效率;Liu等[17]進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn),使PTO 更加小型化,甚至可以裝進(jìn)汽車懸掛架里面。

鑒于此,設(shè)計(jì)了一種高效雙行程往復(fù)偏擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng),并將這種特殊的PTO 與偏擺式波浪能發(fā)電裝置相結(jié)合,以提高波浪能的利用效率和發(fā)電裝置的可靠性。

1 波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 PTO方案設(shè)計(jì)

偏擺式波浪能發(fā)電裝置整體技術(shù)方案如圖1所示。裝置主要由偏擺、MMR、鉸鏈支承和永磁發(fā)電機(jī)構(gòu)成。裝置的大部分浸沒于水面以下若干米,偏擺的底部鉸接到支承上,頂部靠近水面。工作時(shí),偏擺在波浪力的作用下作雙向往復(fù)擺動(dòng),偏擺從左往右擺動(dòng)一個(gè)角度,然后從右向左擺動(dòng)回到初始位置,完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),偏擺驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的MMR進(jìn)行雙行程往復(fù)做功,首先將波浪動(dòng)能轉(zhuǎn)換成偏擺往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械動(dòng)能,然后通過兩側(cè)的MMR將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電功率輸出。MMR 采取純機(jī)械電控方式,完全摒棄效率低下的液壓傳動(dòng)方式,可使裝置在同等波浪狀況下,具有較高的波浪能吸收和轉(zhuǎn)化效率。

1.2 MMR結(jié)構(gòu)

MMR由滾珠絲杠副和MMR齒輪箱組成,如圖2所示。作用在偏擺上的波浪通過推筒作用在滾珠絲杠螺母上,推筒與螺母之間為剛性連接,滾珠絲杠將螺母的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠旋轉(zhuǎn),絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到MMR齒輪箱的輸入軸上。MMR 齒輪箱包含2個(gè)輸入軸和2個(gè)輸出軸,整體為上下左右、兩兩對稱結(jié)構(gòu);內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由2對錐齒輪、單向離合器、軸承、輸入軸(絲杠)及輸出軸組成。輸入軸與主動(dòng)錐齒輪、被動(dòng)錐齒輪與單向離合器外星輪、內(nèi)星輪與輸出軸皆采用鍵連接方式;上下2根滾珠絲杠的螺距、螺紋旋向、長度皆相同。對稱放置使得左右2個(gè)被動(dòng)錐齒輪旋向相反,單向離合器以相同的方向嵌入輸出軸與被動(dòng)錐齒輪之間。

圖2 MMR結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)單向離合器外星輪為主動(dòng)輪時(shí),外星輪正向旋轉(zhuǎn)使內(nèi)外星輪嚙合一起旋轉(zhuǎn)并傳遞扭矩,反之,外星輪逆向旋轉(zhuǎn)并使內(nèi)外星輪處于脫離狀態(tài)。在裝置的前半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),2個(gè)輸入軸皆為單向旋轉(zhuǎn),如圖2所示,此時(shí)一個(gè)單向離合器的內(nèi)、外星輪嚙合鎖定旋轉(zhuǎn),與之相連的輸出軸旋向與齒輪一致;另一個(gè)單向離合器的內(nèi)外星輪脫離,齒輪與該離合器外星輪一起空轉(zhuǎn)。反之,當(dāng)裝置處于另一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期時(shí),輸入軸反向旋轉(zhuǎn),情況與正轉(zhuǎn)相反。

上述情形同時(shí)發(fā)生在另外一個(gè)PTO 內(nèi),如此即可實(shí)現(xiàn)在每半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),波浪能發(fā)電裝置內(nèi)有且只有2個(gè)單向離合器嚙合帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)將波浪能往復(fù)雙向輸入變?yōu)槊總€(gè)發(fā)電機(jī)的單向電功率輸出。

在MMR齒輪箱內(nèi),單向離合器鎖住的是相對運(yùn)動(dòng)而不是絕對運(yùn)動(dòng),即單向離合器擁有超越功能。當(dāng)外星輪轉(zhuǎn)速高于內(nèi)星輪時(shí),內(nèi)外星輪才能正確嚙合;當(dāng)外星輪轉(zhuǎn)速低于內(nèi)星輪時(shí),盡管旋轉(zhuǎn)方向相同,內(nèi)外星輪依然處于脫離狀態(tài)。發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作用下繼續(xù)自由轉(zhuǎn)動(dòng),直至輸入轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)再次一致。

2 PTO動(dòng)力學(xué)模型

PTO主要由偏擺、滾珠絲杠副、MMR齒輪箱和永磁發(fā)電機(jī)組成。

2.1 滾珠絲杠

滾珠絲杠將推筒的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)變換可以描述為

其中:z表示滾珠絲杠螺母行程;llead表示滾珠絲杠的導(dǎo)程;θbs表示滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)角度。推筒上的力轉(zhuǎn)變?yōu)闈L珠絲杠螺母上的扭矩,并作用在滾珠上,根據(jù)能量守恒定律,控制方程為

其中:Fpto表示作用在推筒上的線性力;Tbn表示滾珠絲杠對滾珠反作用力;mbn、mpt分別表示滾珠絲杠和推筒的質(zhì)量。將式(1)代入式(2),可得

滾珠螺母上的扭矩驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠并平衡通過MMR整流器傳遞的扭矩,可表示為

其中:Jbs表示滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Tbs表示MMR施加在滾珠絲杠上的外部力矩。

2.2 MMR齒輪箱

在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),一個(gè)MMR齒輪箱里只有一個(gè)單向離合器內(nèi)外星輪嚙合傳遞扭矩,稱之為傳動(dòng)激活。此時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況可表示為

其中:Tin表示滾珠絲杠傳遞到MMR 的扭矩;Tout表示傳動(dòng)激活的輸出軸轉(zhuǎn)矩;Jis表示輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jig表示主動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;表示傳動(dòng)未激活的被動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;表示輸入軸和傳動(dòng)未激活軸的角加速度;Tf表示MMR的內(nèi)部摩擦力矩。

2.3 發(fā)電機(jī)

試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)是三相發(fā)電機(jī)。MMR 輸出軸對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tge包括產(chǎn)生電能的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電阻轉(zhuǎn)矩Tel和發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性產(chǎn)生的機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩Tme2個(gè)主要來源。

主要來自發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的機(jī)械電阻轉(zhuǎn)矩[18]。

將輸出電流負(fù)載在三相上,疊加可得到轉(zhuǎn)矩負(fù)載,即

其中:ke表示發(fā)電機(jī)壓電常數(shù);kt表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù);Rin、Rex分別表示發(fā)電機(jī)每相的內(nèi)部電阻和外部電阻。

發(fā)電機(jī)的慣性也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于MMR 的輸出軸、聯(lián)軸器和輸出軸上錐齒輪與發(fā)電機(jī)以相同的速度不斷旋轉(zhuǎn),因此將由慣性引起的轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)一起考慮,由慣性產(chǎn)生的機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩表示為

其中:Jge、Jcp、Jos、Job和Jog分別表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、輸出軸、單向離合器和被動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.4 PTO動(dòng)力學(xué)分析

PTO系統(tǒng)將各部件串聯(lián)組裝,且MMR 齒輪箱的齒輪傳動(dòng)比為1∶1,即可獲得各部件之間的關(guān)系:

在系統(tǒng)半個(gè)周期內(nèi),傳動(dòng)激活軸和傳動(dòng)未激活軸的運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生,且2個(gè)子系統(tǒng)相互獨(dú)立,因此PTO的動(dòng)力學(xué)方程可表示為

其中:JDA和JDnA分別為傳動(dòng)激活軸上和傳動(dòng)未激活軸上的零部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。此時(shí),Ff是傳動(dòng)激活系統(tǒng)的總摩擦力,當(dāng)系統(tǒng)嚙合時(shí),推筒上的PTO力將驅(qū)動(dòng)所有嚙合部件作為一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。軸、齒輪和聯(lián)軸器都具有較大的剛度,將它們視為剛體,動(dòng)力學(xué)方程中不存在柔性項(xiàng)。摩擦項(xiàng)Ff來自于整個(gè)系統(tǒng),它與摩擦力矩Tf有 關(guān),

傳動(dòng)未激活軸上的發(fā)電機(jī)靠各部件的慣性力提供動(dòng)力,由于摩擦阻力和發(fā)電機(jī)內(nèi)部阻抗力,動(dòng)力將會(huì)逐漸衰減,即為摩擦阻力。

3 系統(tǒng)仿真研究

由莫里森方程(Morison equation)可得浸沒在振蕩水流中發(fā)電系統(tǒng)的偏擺所受的推力[19],

其中:Ffk、Fh、Fd分別是傅汝德-克雷洛夫力、水動(dòng)力質(zhì)量力、牽引阻力;Ca、Cd、ρ分別是附連水質(zhì)量系數(shù)、阻力系數(shù)、水的質(zhì)量;A是面對水流的圓柱體中心的橫截面積,V是偏擺的體積;u和v分別是水的速度和浸沒于水中的偏擺的速度。傅汝德-克雷洛夫力和水動(dòng)力質(zhì)量力一起被稱為慣性力,Fi=Ffk+Fh。由于慣量與阻力之比(?1)很大,作用于振蕩體的升力可忽略不計(jì)。

偏擺上的推力經(jīng)由鉸鏈作用于PTO 上,激發(fā)PTO動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn),可考慮推力作用于偏擺中間位置,于是

其中:L表示偏擺總高度;h表示偏擺與PTO連接的高度;α表示PTO 與地面的夾角。由式(1)、(10)、(12)可得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωge。若忽略發(fā)電機(jī)繞組阻抗,耦合到三相發(fā)電機(jī)的終端電壓和電流就變?yōu)?/p>

其中:p為發(fā)電機(jī)的極對數(shù);zph為負(fù)載的相位阻抗?？紤]電阻負(fù)載(ε=0)時(shí),三相發(fā)電機(jī)輸出功率

采用SolidWorks和ADAMS進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真,研究系統(tǒng)在正弦諧波波浪輸入下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。在SolidWorks建立3D 模型后,將模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行裝配連接。該系統(tǒng)自由度為1,在偏擺與底座的轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加Motions命令,將Function設(shè)置為30sin(3-1πt+1.5),偏擺最大擺角30°,仿真時(shí)長20 s,步長設(shè)為5 000,容差為e-5。其中,單向離合器(圖3)內(nèi)外星輪與滾柱的實(shí)體接觸函數(shù)皆選擇IMPACT函數(shù),摩擦類型選用Coulomb摩擦,靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)分別設(shè)為0.08、0.05,采用AKISPL樣條插值函數(shù)插入偏擺的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3 ADAMS軟件中單向離合器的仿真模型及參數(shù)

圖4為同一PTO 中的2個(gè)發(fā)電機(jī)的功率輸出。由于2個(gè)單向離合器安裝方向相同,使得2個(gè)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間相差半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期,且在半周期內(nèi)只有一個(gè)離合器內(nèi)外星輪嚙合,可使系統(tǒng)輸出比較平穩(wěn)的電壓。

圖4 在單向離合器的作用下,雙向旋轉(zhuǎn)輸入變?yōu)閱蜗蛐D(zhuǎn)輸出

假設(shè)系統(tǒng)輸入諧波波浪周期為6 s,波長為56 m,平均波高為2 m。由于正弦諧波波浪輸入,被動(dòng)錐齒輪角速度也呈正弦波動(dòng),如圖4(a)所示。但在圖4(b)中,由于單向離合器的存在,過濾掉了角速度為負(fù)時(shí)單向離合器外星輪對內(nèi)星輪的驅(qū)動(dòng)力,但不影響被動(dòng)錐齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)使輸出到發(fā)電機(jī)的速度一直為正,即實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從雙向機(jī)械輸入到單向穩(wěn)定的電壓輸出。發(fā)電機(jī)角速度下降是由于系統(tǒng)的摩擦阻力和負(fù)載。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種高效往復(fù)偏擺式波浪能發(fā)電裝置,能量轉(zhuǎn)換器(PTO)是其關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換和功率輸出單元。PTO由偏擺和機(jī)械運(yùn)動(dòng)整流器(MMR)組成,基于單向離合器的概念,將波浪往返運(yùn)動(dòng)的雙向輸入轉(zhuǎn)換成電磁發(fā)電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)輸出。詳細(xì)介紹了PTO的工作原理,構(gòu)建了PTO 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并解釋了MMR齒輪箱的一種獨(dú)特運(yùn)作規(guī)律。最后,利用ADAMS軟件對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析,驗(yàn)證了發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和高效性。