波浪能振蕩浮子轉(zhuǎn)換方式實(shí)驗(yàn)裝置的研究與設(shè)計(jì)*

聞福三，伍時(shí)和，吳樂賢，李社蕾，王連勝，趙京明，丁學(xué)用，

任丙南1,3，王玲玲1，汪　源1，何彥廷1，李政清1

(1.三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022；2.西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038；

3.三亞學(xué)院 海洋研究所，海南 三亞 572022)

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波浪能振蕩浮子轉(zhuǎn)換方式實(shí)驗(yàn)裝置的研究與設(shè)計(jì)*

聞福三1，伍時(shí)和1，吳樂賢2，李社蕾1，王連勝1，趙京明1，丁學(xué)用1，

任丙南1,3，王玲玲1，汪源1，何彥廷1，李政清1

(1.三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022；2.西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038；

3.三亞學(xué)院 海洋研究所，海南 三亞 572022)

摘要：針對(duì)陣列式振蕩浮子波浪能轉(zhuǎn)換設(shè)備，提出一種在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試研究的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置由一組陣列柱形水槽組成，水槽液面在水動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的函數(shù)做升降運(yùn)動(dòng)；對(duì)該裝置模型——柱形陣列水槽的假設(shè)，依據(jù)波浪理論進(jìn)行了論證；對(duì)裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)、控制電路和操作運(yùn)行等做了較詳細(xì)的說明；對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)際運(yùn)行和測(cè)試情況做了介紹。結(jié)果表明：該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理可行，模擬波浪高度，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的造波水池，構(gòu)成了一種專用的模擬造波裝置；該裝置為不同形式振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換設(shè)備的研制提供了一種多功能、大振幅、高效靈活的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：波浪能；振蕩浮子；實(shí)驗(yàn)裝置；陣列水槽；模擬造波

海洋波浪能是一種儲(chǔ)量豐富、分布廣泛的可再生清潔能源，開發(fā)利用波浪能具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)際上提出的波浪能量轉(zhuǎn)換技術(shù)按俘獲技術(shù)分類主要有振蕩浮子式(點(diǎn)吸收式)、鴨式、振蕩水柱式、筏式、擺式和越浪式等，其中振蕩浮子式(點(diǎn)吸收式)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快。該技術(shù)采用振蕩浮子俘獲波浪能，通過與浮子連接的后續(xù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(比如機(jī)械機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、直線發(fā)電機(jī)構(gòu)等)將波浪能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能、液壓能，完成能量的一級(jí)轉(zhuǎn)換，然后將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能即完成能量的二級(jí)轉(zhuǎn)換。最終能量一般通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。波浪能振蕩浮子轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，轉(zhuǎn)換效率高，如進(jìn)一步采用共振聚波方式提高轉(zhuǎn)換效率，不受來(lái)波方向影響，理論研究一級(jí)轉(zhuǎn)換效率可超過100%，實(shí)驗(yàn)研究也超過了90%[1]。

現(xiàn)有的振蕩浮子波浪能電站通常以一個(gè)振蕩浮子為中心，完成能量采集轉(zhuǎn)換，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是能量采集面小，輸出能量不均勻，成脈動(dòng)狀態(tài)。點(diǎn)陣機(jī)械串并聯(lián)浮子移動(dòng)式波浪能電站，其特點(diǎn)是將若干個(gè)浮子通過機(jī)械串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)能量疊加，將疊加后的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，不僅俘獲了更大范圍能流的波浪能，而且使脈動(dòng)不均勻的動(dòng)能變成相對(duì)穩(wěn)定均衡的動(dòng)能，更有利于發(fā)電。

點(diǎn)陣機(jī)械串并聯(lián)浮子移動(dòng)式波浪能電站參考了南海北部常年的波浪資源特征[2]，從力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、能量轉(zhuǎn)換效率等方面綜合考慮，提出了陣列分布的振蕩浮子，即陣列式振蕩浮子。陣列式振蕩浮子及其能量轉(zhuǎn)換點(diǎn)機(jī)械傳動(dòng)裝置是波浪能電站的關(guān)鍵部分，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。對(duì)陣列式振蕩浮子及其能量轉(zhuǎn)換點(diǎn)機(jī)械傳動(dòng)裝置，通過在實(shí)驗(yàn)室按照實(shí)際發(fā)電波浪高度(1～2 m波高)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，完善設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行實(shí)海況試驗(yàn)，可以提高效率，減少風(fēng)險(xiǎn)，降低成本。

利用現(xiàn)有造波水池，造波水槽等人為制造的模擬波浪進(jìn)行試驗(yàn)，波高不夠。目前世界先進(jìn)的MARINTEK海洋深水實(shí)驗(yàn)水池，所造規(guī)則波最大波高為0.9 m，不規(guī)則有義波高為0.5 m[3]?，F(xiàn)有的普通造波水池，造波水槽的波高只有0.5 m左右[4-9]；根據(jù)相似定律等方法，進(jìn)行模型試驗(yàn)[10-15]，可以解決局部的試驗(yàn)，但難以解決整體方面特別是陣列浮子機(jī)械傳動(dòng)方面的問題。針對(duì)陣列式振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，文中提出了一種在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試研究的試驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置針對(duì)性強(qiáng)，可以在一定程度上滿足陣列式振蕩浮子波浪能轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步實(shí)海況實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

1相關(guān)理論

1.1波形傳播與波動(dòng)能量

本設(shè)計(jì)以小振幅重力波理論為基礎(chǔ)展開。小振幅重力波即正弦波。其振幅相對(duì)于波長(zhǎng)為無(wú)限小，重力是其惟一的外力。小振幅重力波的波動(dòng)特性可近似地說明實(shí)際海洋波動(dòng)的許多現(xiàn)象。

理論上解決的辦法是：根據(jù)流體力學(xué)的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程和邊界條件，在假定流體無(wú)黏滯性，運(yùn)動(dòng)是無(wú)旋的，波面上的壓力為常數(shù)的條件下求解。如圖1所示，建立右手直角坐標(biāo)系，z軸垂直向上為正，將x—y平面放在海面上，圖中H為波高，h為水深，設(shè)小振幅重力波波動(dòng)是二維的，只在x方向傳播，波剖面方程可用正弦曲線表示，本文定義為波陣面函數(shù)，即：

(1)

式中，ζ為波面相對(duì)平均水面的鉛直位移；a為波動(dòng)的振幅；k為波數(shù)；σ為波浪的圓頻率。

圖1　具有正弦外形的小振幅重力波Fig.1　The small amplitude gravity wave with a sine shape

相速是波形的傳播速度，它僅僅是形狀的移動(dòng)，而不是液體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)，如同漂浮在波浪水面木塊，只作上下起伏和搖擺運(yùn)動(dòng)，而不隨波形水平移動(dòng)一樣。

水深大于波長(zhǎng)的一半(h/λ≥0.5)，稱為深水波，水質(zhì)點(diǎn)在x與z方向上速度分量u，w分別為

(2)

圖2　水質(zhì)點(diǎn)的水平速度與垂直速度的分布Fig.2　Distributions of horizontal velocity and vertical velocity of the water particle

由波浪理論知波動(dòng)的能量包括勢(shì)能Ep、動(dòng)能Ek，沿波峰線單位寬度在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的總能量為

(3)

能量的時(shí)空分布在海水內(nèi)部是不斷變化的，由于波動(dòng)隨深度迅速減小，所以總能量主要集中在水面附近。在某種意義上稱這種波動(dòng)為表面波[11]。依據(jù)相關(guān)波浪理論和有關(guān)海洋試驗(yàn)，展開了實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。

1.2波浪能的轉(zhuǎn)換與振蕩浮子幾何形狀設(shè)計(jì)

圖3給出了一種垂蕩式振蕩浮子波浪能發(fā)電系統(tǒng)。在起伏運(yùn)動(dòng)的波浪驅(qū)動(dòng)下，振蕩浮子受到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的約束，只能上下運(yùn)動(dòng)，固定于浮子上的齒條隨之做上下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過單向離合器和變速器，將齒條上下直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成變速器輸出軸單一轉(zhuǎn)向的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，完成波浪能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)換。浮子通過齒條帶動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)阻力與輸出動(dòng)力之和稱為負(fù)載阻力，用Fz表示，該力的方向總是與振蕩浮子的運(yùn)動(dòng)方向相反，當(dāng)浮子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)Fz向下，當(dāng)浮子向下運(yùn)動(dòng)時(shí)Fz向上，用浮體靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法近似分析[12]。波形隨相速c從左向右移動(dòng)，相角kx-σt從-π/2到3π/2一個(gè)周期內(nèi)波形經(jīng)過了2個(gè)階段(圖2)。

波浪運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，浮子共做功A1=|A↑|+|A↓|，在正弦波的作用下，浮子連續(xù)上下振蕩。正弦波幅值a為常數(shù)，浮子上下運(yùn)動(dòng)距離必然相等，且為常數(shù)，即h↑=h↓=h。

(4)

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換基本公式(4)，在相同波高、周期和相同負(fù)載阻力條件下，要提高能量轉(zhuǎn)換效率，重點(diǎn)在于設(shè)法提高浮子克服負(fù)載阻力Fz的能力和移動(dòng)的行程h，其中，浮子的尺寸和幾何形狀是影響行程h的重要因素。對(duì)于式(1)正弦波形，浮子的橫向尺寸長(zhǎng)度L(或直徑D)與波長(zhǎng)λ之關(guān)系如下[13]：

當(dāng)λ=L，波峰與波谷同時(shí)作用于浮子全長(zhǎng)，所以不會(huì)發(fā)生垂蕩運(yùn)動(dòng)；

當(dāng)L=Nλ，同理由于波峰增加的浮力被波谷減小的浮力所抵消，因此也沒有垂蕩運(yùn)動(dòng)；

當(dāng)L=Nλ/2，N=1，2，3…，會(huì)偶然發(fā)生垂蕩；

當(dāng)L<λ/2，浮子垂蕩振幅小于波高H，大于零；

當(dāng)L?λ，浮子幾乎完全隨波陣面垂振，當(dāng)浮子質(zhì)量及其他參數(shù)合適時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，其振幅更高，因而振幅最大。

圖3　垂振式振蕩浮子波浪能發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.3　Schematic diagram of a vertical vibration type oscillating buoy wave power generation system

在滿足浮子的橫向尺寸長(zhǎng)度L(或直徑D)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ的條件下，可以獲得最大振幅。振蕩浮子有多種形狀，典型的幾何形狀有長(zhǎng)方體、垂直盤狀圓柱體，垂直柱狀圓柱體、水平圓柱體和仿錐形五種。根據(jù)波浪理論和浮力定律可知，在相同波高、周期和相同負(fù)載阻力條件下，同樣排水量的浮子垂直運(yùn)動(dòng)所做的功，垂直盤狀圓柱體大于其他幾種幾何形體，其繞流力最小[14-17]。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)波浪能電站的振蕩浮子采用垂直盤狀圓柱體。其實(shí)驗(yàn)裝置也按照垂直盤狀圓柱體設(shè)計(jì)，如圖3中所示的振蕩浮子。

1.3繞流阻力和慣性力

振蕩浮子作為一個(gè)孤立實(shí)體系泊漂浮于海洋，波浪和潮流沿流動(dòng)方向給浮子上的作用力即繞流力，該力可分為繞流阻力和繞流慣性力?？偫@流力為

(5)

2實(shí)驗(yàn)裝置原理

2.1微面域圓柱水槽假設(shè)

假設(shè)自由水面是小振幅重力波，其曲面可以用式(1)表達(dá)。根據(jù)1.2分析，在滿足浮子的橫向尺寸長(zhǎng)度L(或直徑D)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ的條件下，浮子可以獲得最大振幅，近似與波表面同步運(yùn)動(dòng)。定義該尺度面積為微面域，顯然，在曲面上微面域服從小振幅重力波波陣面函數(shù)式(1)。微面域鉛垂投影的柱形空間稱為微面域水柱，根據(jù)圖2水質(zhì)點(diǎn)的水平速度與垂直速度分布，可知，該微面域水柱水面做垂直振蕩運(yùn)動(dòng)。假設(shè)將微面域水柱從水面向下截取適當(dāng)高度，構(gòu)成水槽(亦稱為水柱)，由一系列水槽組成陣列，將水槽脫離原波陣面所存在的水域，用真實(shí)容器構(gòu)成水槽，置于實(shí)驗(yàn)室，用人為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，使水槽液面按照波陣面函數(shù)作垂直運(yùn)動(dòng)，于是就形成了微面域海面的模擬。由于振蕩浮子具有垂直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，所以在真實(shí)波浪力的作用下只能做上下垂直運(yùn)動(dòng)，在試驗(yàn)水槽中振蕩浮子以與真實(shí)波浪相同的頻率和幅值隨水面上下運(yùn)動(dòng)，如同在實(shí)海況波陣面上下運(yùn)動(dòng)一樣，完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，該假設(shè)如圖4所示。

圖4　波陣面、微面域與圓柱水槽假設(shè)Fig.4　Assumptions made for wave front, minivan domain and cylindrical flumes

因?yàn)檎袷幐∽訛榇怪眻A柱形，故水槽設(shè)計(jì)成圓柱形，水槽內(nèi)徑大于振蕩浮子的外徑，留出合適的間隙，這樣就可以用陣列圓柱水槽代替普通造波水池或造波水槽，對(duì)陣列式振蕩浮子及其組合進(jìn)行試驗(yàn)了。

2.2微面域水槽陣列模型

將圓柱水槽排成陣列，以水槽液面圓心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，每一點(diǎn)都遵守波陣面函數(shù)(1)，每個(gè)微面域水槽液面中心點(diǎn)都可以找到其在波陣面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。對(duì)微面域水槽陣列模型設(shè)計(jì)如圖5所示。為了設(shè)計(jì)方便，針對(duì)圖5，將z坐標(biāo)原點(diǎn)移到水槽底部，式(1)可以改寫為

(6)

式中，ω與式(1)中σ相同，為角速度；θi為第i個(gè)水槽的初相角；C為z坐標(biāo)原點(diǎn)上下移動(dòng)值。C點(diǎn)設(shè)定為ωt+θi=0時(shí)水槽水位高度，通過C點(diǎn)的水平線為中位線。圖中每個(gè)水槽都有編號(hào)，圖中每個(gè)相鄰的水槽相位差為π/4。1號(hào)水槽、2號(hào)水槽……n號(hào)水槽各水槽函數(shù)如下：

(7)

圖5　微面域水槽陣列模型圖Fig.5　Diagram of the flume model in the minivan domain

當(dāng)每個(gè)水槽液面按照波陣面函數(shù)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)陣列的水槽液面模擬波浪將會(huì)以相速c水平移動(dòng)。

3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1雙水槽實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)框圖

由一雙水槽構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置的基本單元，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖見圖6。

用電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵作為流體動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)水槽中的液體并帶動(dòng)振蕩浮子作鉛垂運(yùn)動(dòng)，用電磁閥控制水流的方向，當(dāng)水槽不透明時(shí)，可以通過透明液位計(jì)和副浮子直觀地觀察到主浮子的運(yùn)動(dòng)情況。便于觀察模擬海洋波浪能轉(zhuǎn)換情況。

圖6　雙水槽實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.6　The overall structure diagram of a double flume experimental apparatus

3.2雙水槽實(shí)驗(yàn)裝置工作原理

根據(jù)總體設(shè)計(jì)圖，雙水槽振蕩浮子實(shí)驗(yàn)裝置總圖或具體結(jié)構(gòu)圖[19-20]如圖7所示。工作過程如下：

初始準(zhǔn)備階段：關(guān)閉電磁閥(1)(2)，打開電磁閥(3)(4)和手動(dòng)閥(18)，啟動(dòng)水泵(5)，抽取水源水池(21)之液體。通過透明液位計(jì)(6)觀察，當(dāng)液位達(dá)到中位線時(shí)，停止水泵(5)，關(guān)閉手動(dòng)閥(18)。

正常工作階段：?jiǎn)?dòng)水泵(5)，打開電磁閥(1)(3)，關(guān)閉電磁閥(2)(4)，則右水槽(13)中的液體向左水槽(24)流動(dòng)；打開電磁閥(2)(4)，關(guān)閉電磁閥(1)(3)，則左水槽(24)中的液體向右水槽(13)流動(dòng)。振蕩浮子(12)(25)在水槽(13)(24)內(nèi)隨液面做升降運(yùn)動(dòng)；左右水槽外的副浮子(7)通過定滑輪組(9)及與主浮子(12)(25)和配重(8)連接的繩索(10)，指示出了主浮子在左右水槽內(nèi)的準(zhǔn)確位置及實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀況。通過水槽外與水槽相通的透明液位計(jì)(6)可以觀察到水槽內(nèi)的水位狀況。

停止結(jié)束階段:停止水泵(5)，關(guān)閉4個(gè)電磁閥。

工作原理：該裝置用計(jì)算機(jī)控制，通過變頻器控制帶電動(dòng)機(jī)的變量水泵(5)，提供水流動(dòng)力。通過電磁閥(1)(2)(3)(4)控制經(jīng)過管路(17)的水流流動(dòng)方向。流體通過管路(17)分別與左水槽(13)和右水槽(24)相通。兩個(gè)水槽水位一個(gè)上升，另一個(gè)必然下降，相位正好相差180°。水位上升、下降的方向由電磁閥控制，水位升降速度由變量泵控制，變量泵由計(jì)算機(jī)控制的變頻器驅(qū)動(dòng)。因而該水槽液位可以實(shí)現(xiàn)按照給定函數(shù)運(yùn)動(dòng)。

(1)電磁閥1；(2)電磁閥2；(3)電磁閥3；(4)電磁閥4；(5)變量水泵；(6)透明液位計(jì)；(7)副浮子；(8)平衡錘；(9)定滑輪組；(10)繩索；(11)上液位計(jì)；(12)左振蕩浮子；(13)左水槽；(14)左壓力傳感器；(15)手動(dòng)閥1；(16)流量傳感器；(17)管路；(18)手動(dòng)閥2；(19)手動(dòng)閥3；(20)底閥；(21)水源水池；(22)控制臺(tái)；(23)右壓力傳感器；(24)右水槽；(25)右振蕩浮子圖7　雙水槽振蕩浮子實(shí)驗(yàn)裝置總圖Fig.7　A general drawing of a double flume oscillating buoy experimental device

3.3陣列水槽實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

圖8　陣列水槽總體圖Fig.8　General diagram of the array flumes

每個(gè)水槽內(nèi)的主浮子上可以裝配齒條或者直線電機(jī)等機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換(圖3)。多個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置可以串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)能量的疊加，為最終設(shè)計(jì)陣列式振蕩浮子波浪能發(fā)電站提供必要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

3.4技術(shù)參數(shù)

雙水槽實(shí)驗(yàn)裝置是陣列水槽試驗(yàn)裝置的最基本單元，由基本單元組成的陣列水槽構(gòu)成了完整的實(shí)驗(yàn)裝置。雙水槽實(shí)驗(yàn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

說明：本設(shè)計(jì)針對(duì)常見的中浪和小浪，模擬波浪高度為1.6 m，根據(jù)水槽高度取值，可以容易地實(shí)現(xiàn)更高模擬浪高。這一點(diǎn)，對(duì)于其他造波裝置是難以實(shí)現(xiàn)的。

4控制系統(tǒng)及電路設(shè)計(jì)

4.1控制系方案設(shè)計(jì)

雙水槽振蕩浮子實(shí)驗(yàn)裝置控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9　控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.9　Overall design block diagram of the control system

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要說明如下：

1)控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心。通過鍵盤可以將預(yù)定函數(shù)程序存入，也可以對(duì)程序進(jìn)行修改、調(diào)試和切換；單片機(jī)輸出信號(hào)通過變頻器使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率變化，導(dǎo)致水泵流量變化，從而達(dá)到使水槽液位按照設(shè)定函數(shù)規(guī)律升降運(yùn)動(dòng)的目的；

2)電磁閥在兩種情況下動(dòng)作，第一，按照程序，達(dá)到極值時(shí)自動(dòng)切換；第二，當(dāng)液位達(dá)到水位上限時(shí)(由傳感器給信號(hào))切換方向；

3)通過傳感器實(shí)時(shí)采集的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)顯示和報(bào)警；通過調(diào)整傳感器位置或參數(shù)，可以改變中位線上下限寬度，水位上限等；

4)顯示報(bào)警系統(tǒng)還包括通過數(shù)字顯示器和發(fā)光二極管光柱實(shí)時(shí)顯示液位，通過水槽透明液位計(jì)可以直接觀察水槽液位，通過副浮子可以間接觀察到水槽內(nèi)主浮子的運(yùn)行情況；通過傳感器可以對(duì)故障情況報(bào)警；

5)該系統(tǒng)留有接口，可以擴(kuò)展，可以靈活更換不同器件，安裝各種不同的流量計(jì)，液位計(jì)，壓力計(jì)等傳感器，例如：超聲波流量傳感器、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、霍爾式液位計(jì)、差壓式流量計(jì)等，通過更換不同的傳感器，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該傳感器的測(cè)試，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。因而該裝置也可完成部分測(cè)控技術(shù)，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，具有示教等功能[21-23]。

4.2電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)方案，針對(duì)雙水槽振蕩浮子實(shí)驗(yàn)裝置電路設(shè)計(jì)圖如下：

圖10為變頻器與單片機(jī)接口電路，利用變頻器內(nèi)部電路和外接功能，單片機(jī)將設(shè)定程序通過轉(zhuǎn)矩設(shè)定和磁通設(shè)定送入比較器，經(jīng)脈沖優(yōu)化選擇器改變水泵電機(jī)的頻率，從而達(dá)到變頻、變速的目的。該電路具有自適應(yīng)電機(jī)控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。

圖10　變頻器與單片機(jī)接口電路Fig.10　Interface circuit of inverter and single chip microcomputer

圖11為繼電器與單片機(jī)的接口電路，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與中間繼電器的連接，二極管D1～D4為續(xù)流二極管，起著低壓電路開關(guān)工作過程的過壓保護(hù)作用。以免中間繼電器線圈與電源連接通斷工作時(shí)造成過電壓對(duì)周圍電器的損壞。圖中三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，單片機(jī)I/O口輸出高電平，導(dǎo)通，中間繼電器線圈通電，反之截止。

圖12是電磁閥通斷控制電路，用中間繼電器的常閉、常開觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電磁閥的打開與閉合以及動(dòng)作的互鎖。

圖11　繼電器線圈接口連接電路圖Fig.11　Connection circuit diagram of the relay coil interface

圖12　電磁閥連接圖Fig.12　Connection diagram of the electromagnetic valve

圖13　手動(dòng)控制電路圖Fig.13　The manual control circuit diagram

圖13為手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)控制與單片機(jī)正?？刂频幕ユi轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)手動(dòng)控制時(shí)，單片機(jī)控制無(wú)效。反之，單片機(jī)控制時(shí)，手動(dòng)控制無(wú)效，這一部分僅僅對(duì)水泵運(yùn)行狀態(tài)的控制。手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)控制主要用于調(diào)試時(shí)使用。

圖14是水泵電動(dòng)機(jī)的機(jī)電接觸控制電路及變頻器與單片機(jī)的接口連接電路。單片機(jī)控制時(shí)，正常起動(dòng)運(yùn)行時(shí)，KM1先于KM2閉合，反之，水泵電機(jī)停止時(shí)，KM2先于KM1斷開，避免電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓變化對(duì)變頻器的沖擊[24]。

圖14　電動(dòng)機(jī)控制電路圖Fig.14　The motor control circuit diagram

4.3軟件設(shè)計(jì)流程圖及流程圖說明：

針對(duì)雙水槽振蕩浮子實(shí)驗(yàn)裝置軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖15所示。流程圖說明如下：

1)初始化：主要包括單片機(jī)I/O口，中斷和定時(shí)器等相應(yīng)單片機(jī)功能部件的初始化設(shè)計(jì)。

2)選擇不同的波形，設(shè)置振幅、周期和初相角。

3)參看圖7，打開電磁閥1，2，3，4。

4)如圖5所示，中位線即通過C點(diǎn)的水平線，振幅H/2以該坐標(biāo)為中線上下變換。中位線上下間隔15 mm設(shè)有中位線上限和中位線下限，分別裝有液位傳感器。當(dāng)液位低于中位線下限，則由系統(tǒng)外向水槽注水；當(dāng)液位高于中位線上限時(shí)，則將水向系統(tǒng)外放出。

5)當(dāng)液位處于中位線上下限之間時(shí)，啟動(dòng)水泵。

6)在水泵動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下，液體按照設(shè)定程序上下運(yùn)動(dòng)，若程序停止結(jié)束，則轉(zhuǎn)向停機(jī)報(bào)警，若程序繼續(xù)循環(huán)，則繼續(xù)檢查水泵電機(jī)。

7)通過傳感器檢測(cè)水泵電機(jī)，若有問題，則停機(jī)報(bào)警，若無(wú)問題則繼續(xù)檢查水位上限。

8)通過水槽水位傳感器檢測(cè)水位是否超過水位上限，若沒有超過，則繼續(xù)運(yùn)行函數(shù)程序；若已超過則停機(jī)報(bào)警。

圖15　軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.15　Flow chart for software design

5測(cè)試及結(jié)果

5.1雙水槽振蕩浮子實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試步驟

1)分項(xiàng)調(diào)試，對(duì)弱電部分、強(qiáng)電部分、執(zhí)行動(dòng)作部分逐項(xiàng)調(diào)試。

2)整機(jī)調(diào)試，包括整機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行、加水運(yùn)行、點(diǎn)動(dòng)、短期運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行、檢驗(yàn)軟件流程圖執(zhí)行情況。

3)在該試驗(yàn)裝置上加載單個(gè)振蕩浮子波浪能發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)行振蕩浮子波浪能發(fā)電試驗(yàn)。其原理可參考圖3。

5.2測(cè)試結(jié)果

1)通過3組連續(xù)4～6 h運(yùn)行，對(duì)主要項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果見表2。

表2　測(cè)試結(jié)果

2)加載小型點(diǎn)陣式振蕩浮子波浪能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明可以發(fā)電，功率為20W。連續(xù)運(yùn)行，效果良好。

圖16為在該實(shí)驗(yàn)裝置一個(gè)單元的2個(gè)水槽上分別安裝了振蕩浮子能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，發(fā)電機(jī)正在運(yùn)行的情況，其中發(fā)光二極管字幕的電源是振蕩浮子發(fā)電裝置利用水位升降發(fā)電所提供。

圖16　波浪能振蕩浮子轉(zhuǎn)換方式實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行狀況Fig.16　Running status of the oscillating buoy wave energy conversion experimental apparatus

6結(jié)論

經(jīng)過對(duì)振蕩浮子的實(shí)海況定性試驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)波浪能振蕩浮子轉(zhuǎn)換方式實(shí)驗(yàn)裝置一個(gè)單元的單項(xiàng)調(diào)試、分部調(diào)試、及系統(tǒng)的總調(diào)試，總體達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)，主要功能、輔助功能基本可以實(shí)現(xiàn)。結(jié)論如下：

1)在波浪理論的基礎(chǔ)上，對(duì)于線性波建立波陣面函數(shù)，在波陣面空間假設(shè)微面域水槽，將微面域水槽隔離、移出，形成陣列模擬波浪的水槽，針對(duì)具有導(dǎo)向裝置的陣列式振蕩浮子波浪能發(fā)電站的模擬研究，這一假設(shè)是可行的；

2)實(shí)驗(yàn)裝置將成對(duì)水槽與水泵、電磁閥、通過管路形成U形互通結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)無(wú)水源水池，省水省電，實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)可行；

4)該實(shí)驗(yàn)裝置可以構(gòu)成一種專用的模擬造波裝置，該裝置為不同形式振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換設(shè)備的研制提供了一種多功能，大振幅、高效靈活的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

致謝：在此向?yàn)楸卷?xiàng)目和本文給予中肯指導(dǎo)和幫助的上海交通大學(xué)(兼三亞學(xué)院海洋研究所所長(zhǎng))朱繼懋教授、中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所游亞戈研究員、盛松偉、張運(yùn)秋副研究員表示衷心的感謝。

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Research and Design of Oscillating Buoy Wave Energy Conversion Experimental Apparatus

WEN Fu-san1, WU Shi-he1, WU Le-xian2, LI She-lei1, WANG Lian-sheng1,ZHAO Jing-ming1, DING Xue-yong1, REN Bing-nan1,3, WANG Ling-ling1,WANG Yuan1, HE Yan-ting1, LI Zheng-qing1

(1.PolytechnicInstituteofSanyaUniversity, Sanya 572022, China;2.Xi'anSiyuanUniversity, Xi'an 710038,China;3.OceanInstituteofSanyaUniversity, Sanya 572022, China )

Abstract:For the array-type oscillating buoy wave energy conversion device, an experimental apparatus that can be used for test research in the laboratory is proposed. This experimental apparatus consists of a group of cylindrical array flumes, and under the drive of hydrodynamic system the water level of the flumes can moves up and down according to the function set by computer. The assumptions made for the apparatus model, i.e. the cylindrical array flumes, is argued based on wave theory. The working principle, structure design, technical parameters, control circuit and operating practices of the apparatus are introduced in detail and its actual running and testing are presented. The results show that the design of the apparatus is reasonable and feasible, and the simulated wave height is far higher than that in the existing wave pool, forming a special simulating wave making device. This apparatus could provide a kind of multi-function, large amplitude, high efficiency and flexible experimental platform for developing different forms of oscillating buoy wave energy conversion equipment.

Key words:wave energy； oscillating buoy； experimental apparatus； array flume； simulated wave making

中圖分類號(hào)：P743.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.01.001

作者簡(jiǎn)介：聞福三(1949-)，男，高級(jí)工程師，副教授，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)及新能源開發(fā)利用的教學(xué)科研方面研究.E-mail:wenfu3@126.com(王燕編輯

收稿日期：2015-10-19

文章編號(hào)：1002-3682(2016)01-0001-15

資助項(xiàng)目：海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目——點(diǎn)陣機(jī)械串并聯(lián)浮子移動(dòng)式波浪能電站的研究(20154174)；海南省高等學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目——波浪及流體測(cè)控實(shí)驗(yàn)裝置的研究(HNKY2014-75)；三亞市院地科技合作項(xiàng)目——帶超越離合器抗風(fēng)浪移動(dòng)式波浪能發(fā)電站研究(2012YD44)