基于振荡浮子式波能转换装置的PTO装置设计与研究

张瀚文 罗海 刘兴昱

摘 要：本文主要介绍一种基于振荡浮子式波能转换装置的新型PTO装置，该装置相比现有的基于垂荡浮子的PTO能量转换装置能够更高效地摄取并利用波浪能，大大提高能量转换的效率。

关键词：垂荡浮子；波浪能；波能转换装置

目前化石能源的過度开采使得环境问题成为了能源开发中不可忽视的重要一环，而清洁能源的发展则将为能源问题带来转机。海洋能作为清洁能源的一种，将成为能源转型的宠儿。

近海可再生能源主要包括波浪能、风能和潮流能。在波浪能的利用方式中，波浪能装置一般由采集系统和PTO（Power Take-off 动力摄取）系统组成，采集系统俘获波浪能，又称为一级能量转换系统，PTO系统将俘获的波浪能转化为电能。PTO系统不仅直接影响吸收波功率转化为电的效率，而且还影响波能转换器的质量，尺寸和结构。不同的波能转换器的PTO也不尽相同。

PTO系统是波浪能转换器的重要组成部分。PTO系统非常重要，因为它不仅直接影响吸收波功率转化为电的效率，而且还影响波能转换器的质量，尺寸和结构。不同的波能转换器的PTO也不尽相同。振荡水柱型装置利用耦合到发电机的空气涡轮机，而点吸收器类型的转换器可根据其配置使用不同的PTO系统，并且可能需要级联转换机构。这种变化意味着PTO系统仍处于开发阶段，对大规模设备的经验很少。

目前现有的基于波浪能振荡浮子的PTO形式大体分为气动式能量转化装置、水力式能量转化装置、机械式能量转化装置。对于水力式能量转化装置来说，液体的选用及装置的密封都是问题，而对于机械式能量转化装置直接机械传动系统经历了不可计数的负载循环，并且这种系统的可靠性仍需要证明。目前气动式转化装置的能量转换过程是：空气泵室（即空腔，将机械能转换为空气能）→整流气阀和气道 →气轮机（将空气能转换为机械能）。[1]传统的气动式或者水力式都是单一利用浮子上升的过程来压缩气体或液体，且只能利用一半空腔中的气体或液体的能量，其能量利用率较低。本文主要介绍一种适用于振荡浮子式波能转换装置的新型PTO装置，这种新型的PTO装置能够实现浮子垂荡运动的过程中，同时利用浮子上升与下降的过程所产生的能量，大大提高波浪能的转化效率，解决上述问题。

1 PTO装置的结构设计

PTO装置的整体结构如图所示：

①PTO装置包括至少一个单一能量转换装置和两个发电装置，其中单一能量转换装置包括空气泵室、活塞、浮子、连接杆、整流气道和整流气阀，而发电装置则是气轮机。

②单一能量转换装置的活塞安装于所述空气泵室内，将空气泵室分为下空腔和上空腔，活塞的运动使空气泵室内部空气流动，浮子位于所述空气泵室外部，并通过所述连接杆与所述活塞连接。浮子选用锥体浮子，使得在相同波浪周期下对波浪能的利用效率更高。

③单一能量转换装置的整流气道包括出气管和进气管，分别设置在所述空气泵室的两侧，且两气道均与空气泵室的上空腔和下空腔连通，双气道的设计使得浮子上下垂荡的运动中装置内部均有空气在管道中流通，使装置能够同时利用浮子上下两过程的能量。

④多个单一能量转换装置的进气管相连，出气管相连，并分别接入两气轮机发电装置中，实现了整个PTO的能量转换发电的过程。

⑤整流气阀设于所述整流气道与空气泵室的连接处，空气泵室上下两侧共计四个阀门：上空腔出气管阀门、上空腔进气管阀门、下空腔出气管阀门、下空腔进气管阀门，所述上空腔出气管阀门位于上空腔外侧、出气管内侧，所述上空腔进气管阀门位于上空腔内侧，所述下空腔出气管阀门位于下空腔外侧、出气管内侧，所述下空腔进气管阀门位于下空腔内侧，四个阀门与空腔之间均以铰链形式连接。多个阀门的设置为进一步控制气道内的气流进出提供了有效控制手段。

⑥活塞与空气泵室之间设置有缓冲装置，如图2所示，用于控制活塞在空气泵室中的运动，防止因活塞运动过快而撞击泵室进而造成装置损坏。缓冲装置为橡胶垫。

2 工作原理

装置整体可以安装在相关海洋发电平台上，当浮子受波浪作用而上升时，与浮子以连接杆连接的活塞同时上升，在上空腔中，由于活塞压缩空气使得上空腔出气管阀门打开，上空腔进气管阀门关闭；与此同时，下空腔中由于气压骤然下降，下空腔出气管阀门关闭，下空腔进气管阀门打开。这样，在浮子上升过程中同时利用了活塞上下两侧空腔中空气的流通运动所产生的能量。同样的，浮子下降，则上空腔出气管阀门关闭，上空腔进气管阀门打开；同时，下空腔出气管阀门打开，下空腔进气管阀门关闭。这样的过程使得不论浮子处于上升阶段还是下降阶段，均实现了出气管始终有气流排出，进气管始终有气流流进。为了整合并利用整流气道中的气流，将多组单一能量转换装置并排连接，所述出气管相互连通为一条总出气管，进气管连通为一条总进气管，并分别接入并列在两侧的气轮机，依靠气道中的气流带动气轮机发电。

3 发展前景

本装置的有益效果在于：

（1）该新型PTO装置的单一能量转换装置能够实现在浮子上下垂荡运动过程中进气管与出气管内均有气体流动，使得活塞在上下震荡的过程中上下两空腔中的能量均可被利用，驱动两个发电装置同时工作，以提升波浪能利用效率；

（2）可以通过设置多组并排的单一能量转换装置共同作业，进一步提升波浪能利用效率；

（3）通过设置缓冲装置为本发明使用时限及抵抗恶劣天气的能力提供了有力保障；

（4）气轮机后接管道的不同位置使得两气轮机转向相同，利于进一步对能量的吸收利用；

（5）浮子形状设计进一步提升了能量利用率。

目前的波浪能发电装置大多存在以下问题：发电成本过高、发电效率低、电能质量差、可行性不高等，[2]而本文介绍的新型PTO装置相比较而言有明显的优点。

参考文献：

[1]张弘弨.海洋波浪发电系统振荡浮子结构的优化研究[D].清华大学，2010.

[2]屈书恒，黄佳晟，李家誉，徐欢，周子嫣.多向联轴式波浪能发电装置的设计与研究[J].水电与新能源，2018，32（07）：76-78.

项目：项目名称：新型海洋能源综合利用发电平台（项目编号：20181049702011）国家级大学生创新创业计划