基于容积调节与蓄能稳压的波浪能转换液压提能系统特性仿真研究

doi:10.3901/JME.2024.20.327

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (20): 327-338.doi: 10.3901/JME.2024.20.327

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基于容积调节与蓄能稳压的波浪能转换液压提能系统特性仿真研究

刘常海^1,2, 费俊凯¹, 赵志学³, 吴俊国¹, 胡敏¹, 高文智¹, 曾亿山¹

1. 合肥工业大学机械工程学院合肥 230009;
2. 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州 310027;
3. 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨 150001

收稿日期:2023-10-07 修回日期:2024-04-27 出版日期:2024-10-20 发布日期:2024-11-30
通讯作者: 胡敏,男,1985年出生,博士,讲师,硕士研究生导师。主要研究方向为流体传动与控制。E-mail:minhu@hfut.edu.cn
作者简介:刘常海,男,1988年出生,博士,讲师,硕士研究生导师。主要研究方向为波浪能开发与利用、流体传动与控制。E-mail:liuchanghai@hfut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52005144，52075139，51905139);中央高校基本科研业务费(JZ2022HGTB0272，JZ2021HGB0090)和流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金课题(GZKF-202015)资助项目。

Simulation Study on the Performance of Hydraulic Power Take-off System of Wave Energy Conversion Based on the Volumetric Regulation and Energy-storage Principle

LIU Changhai^1,2, FEI Junkai¹, ZHAO Zhixue³, WU Junguo¹, HU Min¹, GAO Wenzhi¹, ZENG Yishan¹

1. School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009;
2. State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310027;
3. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001

Received:2023-10-07 Revised:2024-04-27 Online:2024-10-20 Published:2024-11-30

摘要/Abstract

摘要： 为提高液压式波浪能转换装置的运行特性，采用液压变压器作为系统压力和流量的调节元件，提出一种基于容积调节和蓄能稳压的液压提能系统。以点吸收式波浪能转换装置为例，建立浮子水动力模型和非线性液压提能系统模型。通过模拟波浪与液压提能系统在0.3～2 rad/s波浪频率范围内的相互作用，探究液压提能系统的动力响应，以及波浪频率对提能系统响应特性和能量转换特性的影响规律。结果表明：液压缸腔室压力和液压提能系统作用力呈近似方波变化，并伴有短暂高频振荡；随波浪频率的增大，液压缸相对锁住时间减少，相对捕能做功时间增多；液压缸位移幅值与液压缸捕获功率峰均比减小，而液压提能系统作用力幅值、液压马达平均流量和转速、液压缸捕获功率和液压马达输出功率均先增大后减小；液压提能系统能量转换效率先减小而后增大，在所研究波况下均可达80%以上，优于恒压式液压提能系统。

关键词: 波浪能, 液压系统, 容积调节, 动力响应, 转换特性

Abstract: A novel hydraulic power take-off(PTO) system based on the volumetric regulation and energy-storage principle is proposed to improve the performance of the hydraulic-type wave energy converters(WECs). In the novel hydraulic PTO system, the hydraulic transformer is adopted to regulate system pressure and flowrate. A point-absorber WEC is focused on here, and the hydrodynamic model of the floater and the nonlinear model of the hydraulic PTO system are presented. Through the simulation of the interaction between the wave and the hydraulic PTO system in the frequency range of 0.3-2 rad/s, the dynamic response of the PTO system and the influence of wave frequency on the dynamic-response and energy-conversion characteristics are investigated. Results show that the cylinder chamber pressure and the hydraulic PTO force resemble an approximately square wave variation, and high frequent fluctuation is occurred. As wave frequency increases, the relative latching duration of the hydraulic cylinder decreases, while the relative energy-capture duration increases. The displacement amplitude of the hydraulic piston and the peak-to-average captured power ratio of the hydraulic cylinder decrease, while the hydraulic PTO force, the average flowrate and rotational speed of the hydraulic motor, the captured power of the hydraulic cylinder and the output power of the hydraulic motor increase first and then decrease. The energy-conversion efficiency of the hydraulic PTO system decreases first and then increases with the increasing wave frequency, and it can reach a value more than 80%, which is larger than that of a constant-pressure type hydraulic PTO system.

Key words: wave energy, hydraulic system, volumetric regulation, dynamic response, conversion performance

中图分类号:

TH137
TK79

刘常海, 费俊凯, 赵志学, 吴俊国, 胡敏, 高文智, 曾亿山. 基于容积调节与蓄能稳压的波浪能转换液压提能系统特性仿真研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 327-338.

LIU Changhai, FEI Junkai, ZHAO Zhixue, WU Junguo, HU Min, GAO Wenzhi, ZENG Yishan. Simulation Study on the Performance of Hydraulic Power Take-off System of Wave Energy Conversion Based on the Volumetric Regulation and Energy-storage Principle[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(20): 327-338.

参考文献

[1] 王小谟，陆军，彭伟，等. 加速海洋“新基建”建设，推动海洋产业高质量发展[J]. 科技导报，2021，39(16)：76-80. WANG Xiaomo，LU Jun，PENG Wei，et al. Accelerate the construction of marine “new infrastructure” and promote the high-quality development of marine industry[J]. Science and Technology Herald，2021，39(16)：76-80.
[2] ZHANG Xiantao，TIAN Xinliang，XIAO Longfei，et al. Application of an adaptive bistable power capture mechanism to a point absorber wave energy converter[J]. Applied Energy，2018，228：450-467.
[3] 丁文俊，宋保维，毛昭勇，等. 浅水域探测型无人水下航行器波浪能发电系统设计[J]. 机械工程学报，2015，51(2)：141-147. DING Wenjun，SONG Baowei，MAO Zhaoyong，et al. Wave energy conversion system design for detection unmanned underwater vehicle in shallow water[J]. Journal of Mechanical Engineering，2015，51(2)：141-147.
[4] 李云飞，耿江军，汤添益，等. 面向新能源浮标的平面摆式波浪能收集装置研究[J]. 机械工程学报，2021，57(12)：275-284. LI Yunfei，GENG Jiangjun，TANG Tianyi，et al. Study on water wave energy harvester for clean energy buoys[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(12)：275-284.
[5] 吴金明，陈妮，钱晨. 惯性式波浪能供电浮标的液压能量转换系统设计研究[J]. 机械工程学报，2022，58(4)：222-231. WU Jinming，CHEN Ni，QIAN Chen. Research on design method of the hydraulic energy conversion system of an inertial wave-energy-powered buoy[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(4)：222-231.
[6] 宋保维，丁文俊，毛昭勇. 基于波浪能的海洋浮标发电系统[J]. 机械工程学报，2012，48(12)：139-143. SONG Baowei，DING Wenjun，MAO Zhaoyong. Ocean buoy power generation system based on wave energy[J]. Journal of Mechanical Engineering，2012，48(12)：139-143.
[7] 赵裕明，金振林. 基于含有冗余支链3-RPS/3-SPS并联机构的波浪能转换装置优化设计[J]. 机械工程学报，2019，55(23)：93-102. ZHAO Yuming，JIN Zhenlin. Optimal design of wave power generating device based on a parallel mechanism with 3-RPS/3-SPS redundant link[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55(23)：93-102.
[8] 高红，梁睿智. 波浪能捕获液压系统的特性研究[J]. 机械工程学报，2020，56(18)：180-187. GAO Hong，LIANG Ruizhi. Performance investigation of hydraulic wave energy capture system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(18)：180-187.
[9] 林勇刚，许建强，刘宏伟，等. 基于数字液压缸组的波浪能装置压力匹配[J]. 浙江大学学报(工学版)，2019，53(10)：1892-1897. LIN Yonggang，XU Jianqiang，LIU Hongwei，et al. Pressure matching of wave energy devices based on digital hydraulic cylinders[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science)，2019，53(10)：1892-1897.
[10] 刘常海，胡敏，杨庆俊，等. 波浪能发电半物理仿真试验技术研究[J]. 机械工程学报，2021，57(10)：286-296. LIU Changhai，HU Min，YANG Qingjun，et al. Hardware-in-the-loop simulation technology of wave power generation[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(10)：286-296.
[11] 高红，肖杰. 波浪能捕获浮体对能量转化系统特性的影响[J]. 机械工程学报，2022，58(16)：360-369. GAO Hong，XIAO Jie. Influence of floating body on performance of wave energy conversion system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(16)：360-369.
[12] PENALBA M，SELL N P，HILLIS A J，et al. Validating a wave-to-wire model for a wave energy converter—Part I：The hydraulic transmission system[J]. Energies，2017，10(7)：977.
[13] 陈启卷，李永兴，许志翔，等. 液压传动共振波力发电装置提能系统特性研究[J]. 机械工程学报，2017，53(14)：209-216. CHEN Qizhuan，LI Yongxing，XU Zhixiang，et al. Research on hydraulic power take-off system of resonant wave generation device[J]. Journal of Mechanical Engineering，2017，53(14)：209-216.
[14] Zhang Wei，Liu Yanjun，Li Shizhe，et al. Experimental and simulative study on throttle valve function in the process of wave energy conversion[J]. Advances in Mechanical Engineering，2017，9(6)：1687814017712365.
[15] 杨绍辉，何宏舟，陈沪，等. 阵列筏式波浪能发电系统设计与试验研究[J]. 机械工程学报，2016，52(11)：57-62. YANG Shaohui，HE Hongzhou，CHEN Hu，et al. Design and experiment research on array-raft wave energy power generation system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2016，52(11)：57-62.
[16] 宋瑞银，吴映江，陈凯翔，等. 双体船式波浪能发电系统实验测试研究[J]. 太阳能学报，2019，40(8)：2236-2243. SONG Ruiyin，WU Yingjiang，CHEN Kaixiang，et al. Experimental research on catamaran wave power generation system[J]. Acta Energiae Solaris Sinaca，2019，40(8)：2236-2243.
[17] YE Yin，WANG Kunlin，YOU Yage，et al. Research of power take-off system for “Sharp Eagle II” wave energy converter[J]. China Ocean Engineering，2019，33(5)：618-627.
[18] RICCI P，LOPEZ J，SANTOS M，et al. Control strategies for a wave energy converter connected to a hydraulic power take-off[J]. Iet Renew Power Gen，2011，5(3)：234-244.
[19] António A F. Modelling and control of oscillating-body wave energy converters with hydraulic power take-off and gas accumulator[J]. Ocean Engineering，2007，34(14-15)：2022-2032.
[20] Babarit A，Guglielmi M，Clément A H. Declutching control of a wave energy converter[J]. Ocean Engineering，2009，36(12-13)：1015-1024.
[21] Hansen A H，Asmussen M F，Bech M M. Model predictive control of a wave energy converter with discrete fluid power power take-off system[J]. Energies，2018，11(3)：1-17.
[22] 方子帆，朱畅，王佳佳，等. 振荡扑翼波浪能发电装置系统建模与仿真[J]. 机械工程学报，2022，58(20)：137-149. FANG Zifan，ZHU Chang，WANG Jiajia，et al. System modeling and simulation of wave energy generation device with oscillating flapping wings[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(20)：137-149.
[23] 叶寅，游亚戈，王振鹏，等. 波浪能装置液压自动分级控制系统研究[J]. 太阳能学报，2019，40(6)：1481-1486. YE Yin，YOU Yage，WANG Zhenpeng，et al. Research on hydraulic automatic hierarchical control system of wave energy device[J]. Acta Energiae Solaris Sinaca，2019，40(6)：1481-1486.
[24] 盛松伟，游亚戈，张亚群，等. 漂浮式波浪能装置能量转换系统研究[J]. 机械工程学报，2012，48(24)：141-146. SHENG Songwei，YOU Yage，ZHANG Yaqun，et al. Research on energy conversion system of floating wave energy device[J]. Journal of Mechanical Engineering，2012，48(24)：141-146.
[25] 王振鹏，游亚戈，盛松伟，等. 波浪能发电装置中液压自治控制系统实海况试验[J]. 太阳能学报，2019，40(7)：2085-2090. WANG Zhenpeng，YOU Yage，SHENG Songwei，et al. Real sea state test of hydraulic autonomous control system in wave energy generation unit[J]. Acta Energiae Solaris Sinaca，2019，40(7)：2085-2090.
[26] LIU Changhai，ZHAO Zhixue，HU Min，et al. A novel discrete control for wave energy converters with a hydraulic power take-off system[J]. Ocean Engineering，2022，249：110887.
[27] YANG Limin，MOAN T. Dynamic analysis of wave energy converter by incorporating the effect of hydraulic transmission lines[J]. Ocean Engineering，2011，38(16)：1849-1860.
[28] 刘涛，孙仁福，韩炎，等. 数字型液压变压器设计及其稳态特性研究[J]. 机械工程学报，2022，58(8)：266-273. LIU Tao，SUN Renfu，HAN Yan，et al. Design of digital hydraulic transformer and research on steady-state characteristics[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(8)：266-273.
[29] 周连佺，刘强，姜继海. 斜轴柱塞式4口液压变压器及其变压比特性[J]. 机械工程学报，2021，57(2)：247-255. ZHOU LianQuan，LIU Qiang，JIANG Jihai. Inclined-axis plunger type 4-port hydraulic transformer and its transformation ratio characteristics[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(2)：247-255.
[30] 石茂顺，刘宏伟，李伟，等. 基于液压变压器原理的海流发电液压传动系统[J]. 浙江大学学报(工学版)，2014，48(5)：764-769，783. SHI Maoshun，LIU Hongwei，LI Wei，et al. Ocean current power generation hydraulic transmission system based on the principle of hydraulic transformer[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science Edition)，2014，48(5)：764-769，783.
[31] Gaspar J F，Kamarlouei M，Sinha A，et al. Analysis of electrical drive speed control limitations of a power take-off system for wave energy converters[J]. Renewable Energy，2017，113：335-346.
[32] 刘颖昕. 高效稳定的波浪能液压PTO装置设计及控制策略研究[D]. 济南：山东大学，2021. LIU Yingxin. Research on design and control strategy of efficient and stable wave energy hydraulic PTO device[D]. Jinan：Shandong University，2021.
[33] Amini E，Mehdipour H，Faraggiana E，et al. Optimization of hydraulic power take-off system settings for point absorber wave energy converter[J]. Renewable Energy，2022，194：938-954.
[34] CHENG Zhengshun，YANG Jianmin，HU Zhiqiang，et al. Frequency/time domain modeling of a direct drive point absorber wave energy converter[J]. Science China Physics，Mechanics and Astronomy，2014，57(2)：311-320.

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[1]	刘常海, 赵志学, 胡敏, 燕浩, 杨庆俊, 包钢, 曾亿山. 基于负载口独立的液压式波浪能转换器捕获性能研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 386-397.
[2]	田边, 刘江江, 张仲恺, 刘兆钧, 马荣, 林启敬, 蒋庄德. 基于多节点阵列结构的高精度薄膜温度传感器研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 92-100.
[3]	焦宗夏, 吴帅, 李洋, 张超, 靳红涛, 舒圣, 位仁磊, 李仁洁, 王易, 张昊园, 张亚东. 液压元件及系统智能化发展现状及趋势思考[J]. 机械工程学报, 2023, 59(20): 357-384.
[4]	辛欣, 任尊松, 魏雪. CRTSⅡ型轨道砂浆脱空对车辆-轨道系统动力性能的影响[J]. 机械工程学报, 2022, 58(6): 177-183,193.
[5]	吴金明, 陈妮, 钱晨. 惯性式波浪能供电浮标的液压能量转换系统设计研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(4): 222-231.
[6]	方子帆, 朱畅, 王佳佳, 熊飞, 左新球, 谢雪媛. 振荡扑翼波浪能发电装置系统建模与仿真[J]. 机械工程学报, 2022, 58(20): 137-149.
[7]	高红, 肖杰. 波浪能捕获浮体对能量转化系统特性的影响[J]. 机械工程学报, 2022, 58(16): 360-369.
[8]	冯展霞, 常宗瑜, 邓超, 张嘉坤, 赵林, 郑中强, 于振江. 基于全域与局域模式下波浪驱动推进机构动力学分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(13): 129-136.
[9]	孔祥东, 朱琦歆, 姚静, 尚耀星, 祝毅. “液压元件与系统轻量化设计制造新方法”基础理论与关键技术[J]. 机械工程学报, 2021, 57(24): 4-12.
[10]	马宪永, 全蔚闻, 董泽蛟, 司春棣, 李韶华. 随机不平度激励下车辆-沥青路面动力学响应分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(12): 40-50.
[11]	李云飞, 耿江军, 汤添益, 房艳, 马昕, 陈朝晖, 陈涛, 刘会聪, 孙立宁. 面向新能源浮标的平面摆式波浪能收集装置研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(12): 275-284.
[12]	高红, 肖杰. 基于模糊PI的波浪能液压转化系统平稳控制研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(10): 267-276.
[13]	刘常海, 胡敏, 杨庆俊, 冯伟, 包钢, 曾亿山. 波浪能发电半物理仿真试验技术研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(10): 286-296.
[14]	高红, 梁睿智. 波浪能捕获液压系统的特性研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(18): 180-187.
[15]	商夏, 周华, 杨华勇. 液压系统流体脉动主动控制方法研究现状[J]. 机械工程学报, 2019, 55(24): 216-226.