液压式波浪能发电技术研究现状及展望*

范朝晖，张亚群，李显豪4，叶 寅

液压式波浪能发电技术研究现状及展望*

范朝晖1,2,3，张亚群2,3,†，李显豪2,3,4，叶 寅2,3

（1. 沈阳化工大学 机械与动力工程学院，沈阳 110142；2. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；3.中国科学院可再生能源重点试验室，广州 510640；4. 中国科学技术大学，合肥 230026）

液压式波浪能发电技术因成熟度高、输出稳定，是目前发展较好的波浪能发电技术之一。介绍了液压式波浪能发电装置的三大元件和液压式波浪能发电系统最新的研究进展，提出了液压式波浪能发电系统现阶段存在的不足，展望了液压式波浪能发电技术未来的发展趋势。

波浪能；动力摄取系统；液压系统

0 引 言

中国海洋国土面积有近300万km2，面积巨大，海洋蕴藏巨大能量，实际可开发量较高。海洋能的利用历史很悠久，中国波浪能利用技术研究始于1968年的波浪能动力船舶[1]。早期的波浪能发电装置（wave energy converter, WEC）功率较小，经过不断地研究和发展，技术在不断积累和进步[2]，装置多种多样，产生了一大批大功率实验样机和预商用波浪能发电站。

波浪能发电技术按照动力传动形式划分，可分为机械式、气压式、液力式和液压式四种。机械式是将捕获的波浪能直接驱动机械齿轮或连杆驱动发电机转换为机械能，如美国的“miniWEC”装置[3]。气压式是通过波浪推动气室内的空气来推动空气透平进行发电，较为著名的有苏格兰的“LIMPET”电站[4]。液力式通过将波浪的动能转换为海水的势能，驱动水轮机带动发电机发电，具有代表性的为挪威“Tapchan”波浪能发电站[5]。液压式是将俘获的波浪能转换为高压液压能，驱动液压马达带动发电机发电，较为先进的有中国科学院广州能源研究所的500 kW波浪能发电装置“舟山号”[6]。

在上述四种形式的波浪能发电技术中，液压式通过蓄能系统可将不稳定的波浪能吸收后转换为平稳可使用的电能，具有移峰填谷、装机功率大、输出稳定等优势。现阶段，液压式波浪能发电装置已实现了实海况长期平稳运行，为远海岛礁提供了清洁可持续能源，是目前波浪能发电技术中应用最为广泛、成熟度较高的技术。

各国针对液压式波浪能发电技术都有研究。英国研制的Pelamis波浪能发电装置[7]，当装置随波浪做上下或左右运动时，圆通间的液压缸被拉伸和压缩，由于铰接处缸体结构和液压系统都受到较大力矩，容易产生磨损。芬兰的WaveRoller摆式波浪能装置[8]采用上摆结构，液压系统沉于海底，易被腐蚀。英国的Salter’s Duck装置[9]由于可靠性不高，没有继续深入研究。丹麦Wave Star公司的点吸收式波浪能发电装置[10]，通过波浪带动吸波浮子上下运动，带动液压缸进行发电。我国也对液压式波浪能发电装置进行了大量研究，中国科学院广州能源研究所在鸭式波浪能发电装置的基础上，设计一种形似鹰头的吸波浮体[11]，结合半潜船作为主体，液压发电系统作为能量转换系统，发电效率和功率都处于世界一流水平。

本文从液压式波浪能发电装置的组成入手，介绍发电装置的关键元件技术，总结国内外液压式波浪能发电装置的研究现状，最后分析现阶段液压式波浪能发电技术存在的不足，并提出相应的建议。

1 液压式波浪能发电装置的组成

按照能量转换过程，液压式波浪能发电装置可分为三级：第一级为波浪能俘获系统，其作用是通过浮体把波浪能转化为浮体的机械能；第二级为液压式动力摄取（power take-off, PTO）系统，其作用是将吸波浮体往复的机械能通过液压缸转换为液压油的液压能再通过液压马达输出机械能；第三级为发电转换系统，其作用是通过液压马达带动发电机发电，供负载使用。液压式动力摄取系统主要由四个关键元件组成，分别为液压缸、蓄能器、液压控制系统和液压马达。

1.1 液压缸

液压缸是将液压能转换为机械能做往复直线运动或摆动运动的执行元件，主要应用于建筑业、农业、交通运输业等领域。

目前国内外研究热点聚焦于如何提高液压缸的效率，主要有调节活塞有效作用面积和减小缸壁与活塞之间的摩擦力两种方式。涂福泉等[12]根据荷叶结构设计出了一种多腔液压缸，可调节液压缸的活塞面积控制液压缸输出力的大小，如图1所示。郑圆圆等[13]研究了不同抛光工艺对使用陶瓷材料液压缸的密封和摩擦匹配性能影响规律。

图1 多腔式液压缸原理图（修改自文献[12]）

液压缸用于波浪能发电装置，是对液压缸的一种新的应用方式。目前，研究人员正在进行根据海面波浪的大小调节液压缸活塞面积[14]以达到最优发电效果方面的研究。

1.2 蓄能器

蓄能器是一种常见的能量储存装置，能在适当时机将系统的能量进行储存和释放，当系统受到较大压力冲击时，也能缓解冲击，保证整个系统稳定运行。

海上波浪能发电不稳定，蓄能系统是关键储能环节，可实现移峰填谷的作用，从而提高装置的整体发电效率。当前，蓄能器的蓄能密度[15]也是波浪能发电技术中的重点研究对象。

为提高蓄能密度，可通过在压缩皮囊内加入如氮气等[16]特殊气体，或者改变蓄能器结构。改变蓄能器结构方向上，VEN DE VEN[17]提出了新型的恒压液压蓄能器，其原理如图2所示，当液压油进入蓄能器后隔膜面积变大，容积比变大，该恒压蓄能器的能量密度比传统蓄能器能量密度提高16%。ZHAO等[18]设计了一种采用凸轮机构的恒压蓄能器，如图3所示，其能量密度比常规蓄能器提高了16%。

图2 活塞面积随行程变化的蓄能器（修改自文献[17]）

图3 凸轮体式蓄能器（修改自文献[18]）

1.3 液压控制系统

液压控制系统以流体为媒介，通过精确控制系统的流量以实现最优输出功率。液压控制系统分为电子机械式和液压机械式两种，前者通过压力流速等传感器控制电磁阀门启闭，后者没有电子元器件，完全利用液压元件控制系统运行。

海洋环境复杂，波浪能瞬息万变，传统的液压控制系统无法满足较好的控制效果。国内多个研究团队提出了新的液压控制系统设计方案。宋瑞银等[19]通过实海况和实验测试验证了压力流量比例阀开口控制方式的可行性。吕沁等[20]通过调节马达的排量实现电能的稳定输出。岳旭辉等[21]通过比例调速阀和减压阀开度的调节来改变液压蓄能系统的流量和压力，实现自适应高效提取海洋波浪能。高红等[22]采用模糊比例积分（proportional-integral, PI）控制，基于转速误差对变量马达进行排量控制，实现液压马达转速稳定输出。姜家强等[23]研发了一种液压自治控制器，基于该控制器的液压控制系统能根据系统油压控制系统主阀的开关和浪况大小实现0−1发电，该系统在多个波浪能发电装置的实海况试验中获得了良好的效果。

1.4 液压系统整体设计

针对波浪能液压发电系统的整体设计，目前出现了多种不同的设计方案，每种设计方案都有其各自的优点。下面对最新的液压系统整体设计进行分别介绍。

宋瑞银等[19]研究以双体船为实验平台的液压发电系统。平台通过振荡浮子与双体船主体的相对运动来拉伸和压缩液压缸的双腔进行做功，其发电原理如图4所示，该平台通过液压换向桥路将液压缸的双腔接入油路，实现液压缸的有杆腔和无杆腔交替做功。通过实时调节比例伺服阀的开口度，实现平台稳定的输出功率。该液压系统设计针对小功率发电系统具有良好的实验效果。

图4 双体船式液压发电系统（修改自文献[19]）

陈坤鑫等[24]设计了一种小型液压发电系统，如图5所示。该系统将液压油箱、液压缸等多个液压元件进行了一体化集成，使用液压缸有杆腔连接液压系统，液压缸无杆腔连接大气，该设计减小了液压缸的回复阻力，使吸波浮子对波浪运动具有很好的响应，助力于波浪能液压发电系统的小型化。该液压系统已被应用于小型波浪能发电装置“海星”系列[25]。

图5 千瓦级小型液压式波浪能装置能量转换系统（修改自文献[24]）

刘颖昕等[26]设计的液压系统将双向液压缸集成在波浪能供电浮标浮筒内部，浮筒主体通过锚链与海底固定，其原理如图6所示。基于波浪的上下运动，浮体和浮筒产生相对运动，从而带动液压缸，将波浪能转化为液压能用于发电。该系统中的液压缸两端均为有杆腔，同时参与能量转换。液压缸与波浪能装置结构的集成，使装置结构简单、安全可靠，成本低，有效延长了装置的使用寿命。

图6 浮筒式波浪能液压发电装置（修改自文献[26]）

岳旭辉等[21]对一种摆式液压PTO系统进行了研究，其原理如图7所示，摆式液压PTO是通过摆体末端齿轮带动连接液压缸的齿条从而带动液压缸的运动，齿轮齿条带动液压缸的活塞杆同步运动，当摆体随着波浪向上时，下部液压缸的无杆腔压油带动液压马达转动，同时上端液压缸从油箱吸油，摆体下摆时则相反。该装置能够实现摆体在上下运动过程中液压油持续做功，通过调节比例调速阀和溢流阀来实现输出功率恒定。此种设计的优点是液压缸连接摆板，而摆板可以通过增大面积来实现受力面积的增加，摆板跟随波浪可以形成较大的力矩，发电功率较大，可以作为摆式波浪能发电站来使用。

图7 摆式波浪能液压发电装置原理图（修改自文献[21]）

吕沁等[20]研制了一种波浪能液压发电平台“海院1号”，其原理如图8所示。在平台与三根桩腿的连接处有四对液压缸组对称分布，油缸组与平台固定，三根桩腿与海面交界处有浮体，浮体连接波浪板，液压缸无杆腔内部有弹簧，通过波浪板的齿顶来压缩液压缸，当波浪板的齿根对应液压缸时，由于无杆腔中弹簧的存在，可以使得液压缸自行伸出，并吸取油箱中的油液准备下一次循环。在液压缸中加入弹簧配合蓄能器能更好地达到平稳波浪冲击的效果，可为波浪能液压发电系统的设计提供借鉴。蔡年琪等[27]基于“海院1号”液压式波浪能发电装置，针对蓄能稳压方面进行了优化，设计了一种含有两套蓄能器和液压马达的液压发电系统，在小浪情况下启动定量马达和对应的蓄能器；在大浪情况下启动变量液压马达和对应的蓄能器，在交替工作的模式下实现了电能的稳定输出。

图8 “海院1号”波浪能发电装置原理图（修改自文献[20]）

2 液压式波浪能发电装置研究现状

液压式波浪能发电装置具有装机容量大、波浪适应性好等优点，各国纷纷展开研究。下面对这些液压式波浪能发电装置进行分类，并介绍最新的研究成果。

2.1 振荡浮子式波浪能发电装置

振荡浮子波浪能发电装置原理为波浪带动装置的吸波浮体做上下运动，并与主体产生相对运动，液压缸连接浮子，另一端连接主体，通过压缩和拉伸液压缸进行发电。其优势是能够做到装机容量大，但仍存在发电能力受季节影响较大的问题，可采用多能互补来改善。例如中国科学院广州能源研究所自主研发的鹰式波浪能发电装置[11]，目前已经建成了10 ～ 500 kW多个型号装置，并成功开展了实海况运行，如图9为500 kW波浪能发电装置“舟山号”[6]。装机容量1 MW的装置正在建造中，是目前中国在建装机容量最大的波浪能发电装置。

图9 鹰式装置“舟山号”[11]

2.2 摆式波浪能发电装置

摆式波浪能发电装置通过波浪带动摆体运动捕获波浪能，液压缸两端分别连接摆体和波浪能发电装置的主体。大部分上摆式波浪能发电装置采用液压系统，液压缸全部浸没于海水之中，对液压系统的防腐要求较高。摆式液压波浪能发电装置的原理较为简单，安装难度不大，但对建设的选址要求较高，特别是离岸式维护成本较高，在海洋恶劣条件下容易被海水侵蚀和海洋生物附着，需要进一步优化。该装置适合在频率低、推力大的海况下工作。

中国国家海洋技术中心于2012年研发100 kW浮力摆式波浪能发电装置[28]，在山东省即墨市大管岛进行海试运行。芬兰AW-Energy公司于2019年在葡萄牙佩尼切海域布放了首台350 kW摆式波浪能发电装置WaveRoller[29]，如图10所示，并实现了并网测试。樊后朋等[30]通过Matlab/Simulink进行仿真研究，发现液压系统活塞存在最优面积，使得摆式波浪能发电装置在给定海况下发电量最大。

图10 芬兰AW-Energy公司摆式波浪能发电装置[29]

2.3 筏式波浪能发电装置

筏式波浪能发电装置通过相邻两块浮体的铰接相对运动驱动液压缸进行拉伸和压缩，从而捕获波浪能。筏式波浪能发电装置的特点是能够通过前端和后端两条锚链，连接多个筏式波浪能发电装置来同时发电，优点是多条筏式波浪能发电装置并网发电可形成海上波浪能发电厂。该类型装置需要较高的结构强度，缸体在铰接处所受到的力矩较大，容易产生位移和磨损。

2015年，中国船舶重工集团710研究所的“海龙”一号[31]项目通过测试，最高发电功率达到10 kW。英国海浪能源有限公司自2012年以来一直致力于开发“Waveline Magnet”浮动波浪能设备[32]，2022年8月在海上开展了原型测试，如图11所示。梁娜等[33]设计了一种基于筏式波浪能转换系统的摩擦纳米耦合系统，并进行仿真研究。

图11 英国“Waveline Magnet”筏式波浪能发电装置[32]

2.4 点吸收式波浪能发电装置

点吸收式液压波浪能发电系统主要通过上端浮体与水中阻尼装置的相对运动，通过压缩液压缸实现将浮体捕获的机械能转换为液压系统的液压能并进行发电。相对其他类型的波浪液压发电系统而言，点吸收式波浪能发电装置的特点是可以做到小型化，工程周期较短，模块化程度较高，结构简单且稳定性较好。

2015年，中国海洋大学研制了10 kW波浪能发电装置“海灵号”[34]并进行了实海况运行。丹麦的Wave Star公司对正在研究的波浪能发电装置[10]进行了实海况测试，其装置如图12所示。史宏达等[35]对浮子参数进行了理论研究。

图12 丹麦的Wave Star点吸收式波浪能发电装置[10]

3 液压式波浪能发电技术优化趋势分析

液压式波浪能发电技术虽然已经发展了多年，在多个行业中得到广泛应用。但是，在波浪能发电行业中，目前仍有很多技术有待优化：

（1）优化蓄能稳压技术。需要从蓄能器体积及安全系数两个方面着手。缩小蓄能器体积，提高蓄能密度，延长其使用寿命。

（2）提升液压发电系统的环境友好性。液压发电系统目前采用的工质为液压油，一旦泄漏，将对海洋生态环境造成很大的影响。亟需研制一种新型的可使用海水作为工质的液压缸，或是提高液压系统的密封技术，确保液压油无泄漏的风险。

（3）优化系统关启设计。液压系统关闭及启动瞬间产生的冲击，极易导致液压元件及管路等机械部件的损坏和松弛，对装置的整体安全性埋下了较大隐患，不利于实现装置的无人值守。需要进一步优化液压系统的结构设计，尽量减小或消除系统关闭及启动产生的不利影响。

（4）减少管路能量损耗。针对液压式波浪能发电的管路设计形式多样，但是目前设计的重点集中于如何提高及实现主要元器件的高安全性、高效性，很少关注系统中液压管路的能量损耗，对管路设计及阻力的优化不足。

（5）控制液压马达排量，实现稳定发电。在海洋环境复杂、波浪能瞬息万变的情况下对液压系统控制非常重要。可以通过系统压力来控制液压马达排量实现发电机发电功率的稳定输出。

4 结 论

液压式波浪能发电装置因其装机容量大，随波适应性好，适应实海况波浪能量大、频率低的特点，是一种较好的波浪能发电技术，国内外纷纷开展研究，对于液压式波浪能发电装置的设想多种多样，经过长期研究发展，很多方案已经建成并完成了实海况实验，取得了较好的成果。但大规模商业化应用仍然面临许多问题，例如发电成本高、装置寿命短以及独立运行维护成本较高等问题。在当前能源危机越发严重和低碳发展日益被国际重视的情况下，液压式波浪能发电系统作为利用海上清洁能源方式的一种，是一个需要大力发展的研究课题，有望推动全球能源结构优化。

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Research Status and Prospect of Hydraulic Wave Energy Power Generation Technology

FAN Zhaohui1,2,3, ZHANG Yaqun2,3,†, LI Xianhao2,3,4, YE Yin2,3

(1. School of Mechanical and Power Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China;2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;4. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Hydraulic wave power generation technology is one of the well-developed wave power generation technologies due to its high maturity and stable output. This paper introduces the three major mechanisms of hydraulic wave energy generation device and the latest research of hydraulic wave energy generation system. The shortcomings of the hydraulic wave energy generation system at this stage are proposed.The future development trend of hydraulic wave power generation technology is prospected.

wave energy; power take-off; hydraulic system

2095-560X（2023）04-0388-07

TK7；TM612

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.04.012

2023-04-06

2023-05-04

国家重点研发计划项目（2022YFD2401201）

张亚群，E-mail：zhangyq@ms.giec.ac.cn

范朝晖, 张亚群, 李显豪, 等. 液压式波浪能发电技术研究现状及展望[J]. 新能源进展, 2023, 11(4): 388-394.

： FAN Zhaohui, ZHANG Yaqun, LI Xianhao, et al. Research status and prospect of hydraulic wave energy power generation technology[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(4): 388-394.

范朝晖（1995-），男，硕士研究生，主要从事液压式波浪能动力摄取系统设计和利用研究。

张亚群（1981-），女，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事波浪能开发及利用技术研究。