分布式波浪能液压能量转换机构机理研究

The key technologies of hydraulic transmission in distributed Wave Energy Converters (WECs) are studied. To solve the pressure interference problem caused by varying loads of the WECs, a novel digital cylinder group is proposed to regulate and coordinate the input pressure of each WEC instead of the single cylinder. A water/oil integrated transmission is presented to eliminate the environmental pollution caused by hydraulic oil leakage. The seawater hydraulic facility underwater transfers the water hydraulic energy upon the water, and then the water/oil pressurizer turns the low pressure water hydraulic energy into the high pressure oil hydraulic energy, which not only protects the marine environment but also keeps the high efficiency. A driving test bench which can simulate various wave conditions is set up. The research contents are analyzed through the experiments conducted in the laboratory and the flume. Throughout the research, the principle, control algorithm and rudimentary knowledge including the design methods, operation mechanism, simulation tools and test analysis of digital control hydraulic cylinder group applied in WECs are obtained through theoretical exploration and experimental verification to seek out a novel pattern of energy hydraulic transmission in wave energy utilization.

对分布式波浪能液压能量转换机构机理进行研究,针对波浪能各捕能机构因分布排布承载不同，导致压力相互干扰的问题，提出新型数字式液压缸组替代原有单液压缸结构，调节输入压力，实现各捕能机构间的压力匹配，协同出力；针对分布式波浪能发电装备液压油泄漏污染环境的问题，提出水/油综合传动方式，海水下采用水液压传动，水面上采用油液压传动，水、油系统间经水/油隔离增压器增压，即实现了环境友好，又保证了传动效率；搭建能模拟各种波况的拖动试验台，通过实验室试验和水槽试验，对项目研究内容进行试验分析。在整个项目研究中将通过理论探索和试验验证得到应用于分布式波浪能利用的数字式液压缸组和水油综合传动的隔离增压器结构原理、控制方法和应用性能的基础知识，包括设计方法，运行机理、仿真手段和试验分析，找到规模化波浪能发电装备能量液压传动的新模式。

由于波浪来能具有反复性，且变化频率快，为稳定其能量的输出，国际上波浪能发电装置的捕能机构虽各有不同，但基本都采用液压传动，捕能机构在波浪能驱动下推动液压缸产生液压能，带动液压马达和发电机，输出电能。自然条件及地理环境决定的波浪能能量幅值和频率变化的随机性会对液压传动系统的压力和流量造成波动，并且由于每个捕能机构排布位置不同，所受波浪力度不同，导致液压能在汇集时，因压力的不同，相互间会产生干扰，直接影响捕能机构的动作和能量的捕获。. 项目提出并研制了一种新型的数字式液压缸组机构，替代原有波浪能捕能机构中的单液压缸，其由多个液压缸并联而成，通过高速开关阀数字式控制单个液压缸切入切出，形成类似变量泵的液压缸的排量调节以匹配波浪能能量幅值和频率变化。在分析波浪能动力学特性的基础上，为快速寻找出可以进行最大功率捕获的最优编码，研究基于斜率的可变步长爬山搜索算法优化，并将控制编码一起传递至高速开关阀执行端；针对分布式波浪能发电装备液压油泄漏污染环境的问题，提出水/油综合传动方式，海水下采用水液压传动，水面上采用油液压传动，水、油传动系统经水/油隔离增压器实现增压目的，既达到了环境友好的目的，又保证了传动效率。搭建能模拟各种波况的拖动试验台，通过半物理仿真试验表明：新型的数字液压缸组其机械效率与容积效率与同面积的液压缸相似；通过数字液压缸组切入切出控制，可以调节系统压力；在波浪能量小的情况下，少量的液压缸切入系统，系统的流量小了，压力增大；而在波浪能量大的情况下，更多的液压缸切入，流量增大，由此油压就可维持在规定压力范围内，系统便可设计为高压，减小了系统体积，通过爬山搜索算法，实现波浪能最大能量捕获；通过多个捕能机构与数字液压缸组合，可完成相互间压力协调实现各捕能机构间的压力匹配，共同出力。