近海岸潮流發(fā)電模擬裝置中造流方法研究

白 晗 ，王世明，白連平 ，田 卡 ，石皓巖

（1．北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100192；2．上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)逐步趨于成熟，人們將關(guān)注點(diǎn)又投向海洋能發(fā)電。海洋能發(fā)電形式主要是潮汐、潮流、波浪、溫差、鹽差發(fā)電。其中潮流能的能量密度較高，而且能量轉(zhuǎn)換方便，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。目前國內(nèi)外采用的潮流發(fā)電機(jī)主要有水平軸式和豎軸式兩種形式，水平軸式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率比豎軸式要高[1]。在潮流發(fā)電過程中，海上測試難度大而且試驗(yàn)成本高，需要建立潮流發(fā)電的前期研究環(huán)境，為此我們設(shè)計(jì)了一種水平軸式雙向葉輪潮流發(fā)電模擬裝置。在控制系統(tǒng)中，通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對模擬裝置的控制。根據(jù)近海岸的潮流流速，實(shí)現(xiàn)了對恒流速和變流速的潮流模擬。該裝置為研究潮流發(fā)電中的葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)、海水的能量轉(zhuǎn)換效率、潮流發(fā)電機(jī)效率，以及發(fā)電機(jī)能量處理，提供了必要的實(shí)驗(yàn)條件。為潮流發(fā)電的海上試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 近海岸潮流發(fā)電裝置原理圖

1 潮流發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置

近海岸潮流發(fā)電裝置原理圖如圖1所示，匯流罩將潮流匯聚在導(dǎo)流筒內(nèi)，增大水的流速，將集中到的能量帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。在實(shí)驗(yàn)室模擬圖1所示的海上潮流發(fā)電，導(dǎo)流筒及發(fā)電機(jī)部分裝置是必不可少的，故實(shí)驗(yàn)室潮流發(fā)電模擬裝置設(shè)計(jì)成一種可控流速的水流閉合回路，潮流發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。變頻器驅(qū)動電動機(jī)，電動機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動雙向葉輪泵旋轉(zhuǎn)，在導(dǎo)流筒內(nèi)產(chǎn)生往復(fù)的水流。本實(shí)驗(yàn)裝置不需要考慮換向問題，可雙向獲取能量，效率高；占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊；水在管道內(nèi)流動，成本低。根據(jù)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與變頻器頻率f的關(guān)系可知 n∝f，由于水泵的流量Q正比于電動機(jī)轉(zhuǎn)速n，又因水泵流量與水流速v和管道截面積s的關(guān)系Q=s*v，則在電動機(jī)參數(shù)、水泵參數(shù)以及管道截面積都固定時v∝f，即管道內(nèi)的水流速與變頻器頻率成正比關(guān)系，經(jīng)測得圖2所示的潮流模擬實(shí)驗(yàn)裝置的水流速與變頻器頻率的關(guān)系如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室潮流模擬實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 流速與變頻器頻率關(guān)系圖

2 潮流模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)潮流模擬裝置的水流速與變頻器頻率的關(guān)系，給定預(yù)設(shè)流速函數(shù)可以得到對應(yīng)的頻率函數(shù)，從而控制變頻器的輸出頻率改變，在圖2模擬裝置內(nèi)產(chǎn)生期望的水流，達(dá)到流速模擬效果。在潮流模擬控制系統(tǒng)中，如何快速準(zhǔn)確控制變頻器又要實(shí)時顯示模擬結(jié)果成為控制的關(guān)鍵。通過手動操作變頻器按鍵控制，自動化程度太低，通過外部輸入的模擬信號控制，調(diào)節(jié)精度又不夠高，故本文通過LabVIEW的VISA串口通信設(shè)定變頻器頻率，除了自動化程度高可以準(zhǔn)確設(shè)定頻率外，還能通過Labview與Matlab的混合編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對變頻器的連續(xù)控制適合進(jìn)行潮流模擬，而且還可以在LabVIEW上設(shè)計(jì)良好的界面進(jìn)行模擬流速的實(shí)時顯示。

2.1 基于LabVIEW與Matlab混合編程的流速控制

LabVIEW運(yùn)用簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與強(qiáng)大的圖像化編程語言，提供了一個非常直觀的語言環(huán)境，在信號采集、界面設(shè)計(jì)和過程控制與處理等方面具有強(qiáng)大的功能。但是，LabVIEW的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能不夠強(qiáng)大，在一些需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的復(fù)雜環(huán)境Matlab更有優(yōu)勢，Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和波形顯示的功能，但在數(shù)據(jù)采集、程序運(yùn)行、程序框圖等方面比較遜色，其界面開發(fā)及流程控制的能力也比較較差。LabVIEW與Matlab混合編程，可以發(fā)揮出二者的優(yōu)勢，是很強(qiáng)大的使用工具[2]。在LabVIEW與Matlab的混合編程中,Matlab后臺負(fù)責(zé)進(jìn)行預(yù)設(shè)流速函數(shù)以及頻率函數(shù)的計(jì)算，然后將頻率信號提供給LabVIEW，最后通過串口發(fā)送給變頻器進(jìn)行頻率控制。

LabVIEW與Matlab混合編程有兩種方法：使用LabVIEW的Actiex函數(shù)模板和使用Matlab Script節(jié)點(diǎn)。Activex通過接口函數(shù)建立Activex通道將Matlab當(dāng)作一個Activex服務(wù)器對Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這種方法設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，故本文采用第二種方法，Matlab Script節(jié)點(diǎn)具有多輸入、多輸出的特點(diǎn)，一次可以處理很大的數(shù)據(jù)信息量。本控制系統(tǒng)直接在LabVIEW的Matlab Script節(jié)點(diǎn)中編寫預(yù)設(shè)流速函數(shù)，將計(jì)算出的對應(yīng)頻率放在數(shù)組內(nèi)。根據(jù)Modbus通訊協(xié)議以及變頻器的參數(shù)，將數(shù)據(jù)幀0106 0001 2710 C236（以50 Hz為例），利用Lab VIEW的VISA技術(shù)通過變頻器的RS485接口將頻率信號發(fā)送給變頻器，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)流速信號的發(fā)送。LabVIEW與Matlab混合編程的程序框圖如圖4所示。

圖4 預(yù)設(shè)流速-頻率發(fā)送程序框圖

2.2 基于LabVIEW的上位機(jī)采集方法研究

在潮流模擬實(shí)驗(yàn)裝置中，流速傳感器需要將實(shí)時的管道水流速發(fā)送到上位機(jī)，以便觀察對比。流速傳感器通過RS232串口將水流速信號采集到上位機(jī)，LabVIEW利用VISA技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并顯示及保存下來。LabVIEW的流速采集程序框圖如圖5所示，其具體步驟按照數(shù)據(jù)的流動可以分為如下幾個步驟。

(1)VISA配置串口，包括VISA資源名稱即變頻器端口號選擇、波特率，數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗(yàn)和停止位，其參數(shù)設(shè)置應(yīng)和變頻器參數(shù)設(shè)置一致。

(2)讀取串口，通過VISA Read.vi對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行串口讀操作。將接收到3位十六進(jìn)制流速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將信號接入濾波器增加流速曲線的穩(wěn)定性。

(3)將濾波之后的數(shù)據(jù)在前面板進(jìn)行顯示并保存在文件內(nèi)，延時1 s再進(jìn)行信號采集。

(4)關(guān)閉串口，利用VISA Close.vi將串口關(guān)閉，不再對信號進(jìn)行采集。

(5)數(shù)據(jù)回放，將寫入電子表格的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新讀取，方便對模擬的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行后期研究。

圖5 模擬流速采集程序框圖

2.3 潮流模擬裝置上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

在上位機(jī)的LabVIEW軟件內(nèi)設(shè)計(jì)的流速采集界面如圖6示，直觀明了，界面良好。采集前選擇好串口端號、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位以及停止位就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。先點(diǎn)擊停止采集按鈕然后點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)按鈕完成數(shù)據(jù)的保存，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)回放按鈕即可進(jìn)行流速的回放，以便對數(shù)據(jù)的后期研究。

圖6 模擬流速上位機(jī)采集界面

3 造流方法探索

近海岸地區(qū)的海水動力環(huán)境非常復(fù)雜，包含了風(fēng)、波浪、潮流和徑流等多種動力因素，波浪在向近海岸傳播的過程中由于復(fù)雜多變的環(huán)境而呈現(xiàn)出多種形式，通?？梢苑譃榫€性波和非線性波。線性波的水面呈現(xiàn)簡諧形式的起伏，波高和波長之比較小，是最簡單的波動。大多情況下近海岸的波動是非線性的，常見的非線性波分為斯托克斯波、橢圓余弦波和孤立波[3]。當(dāng)水深很淺（h＜0.125L）時，斯托克斯波的高階項(xiàng)可能變得很大，因而不能適用，這時就應(yīng)作為淺水非線性波來研究[4]，故采用橢圓余弦波做為流速研究的基礎(chǔ)。橢圓余弦波的水平流速波形如圖7所示，其水平方向流速方程為：

圖7 橢圓余弦波流速

在波浪向近海岸傳播過程中，受到海底地形、地貌、水深變淺以及海岸建筑物的影響，波浪產(chǎn)生變形、折射、繞射、反射和破碎等現(xiàn)象，從而使波浪的特征參數(shù)發(fā)生變化，波面極其復(fù)雜，無法用數(shù)學(xué)描述，此時采用近海岸的沿岸流進(jìn)行研究[5]。Longuet-Higgins提出改進(jìn)后的沿岸流如圖8所示，計(jì)算公式如下：

式中：V=v/vb，

式中：v為沿岸流流速；h為水深；x為到靜水岸線的距離；fcw為波流共存時的摩擦系數(shù)；下角標(biāo)“b”代表破碎點(diǎn)；tanβ=-dD/dx是海底坡度；γ為波高水深比，在均勻底坡上通?？扇?.8；α為波浪入射角；式中N和γ為無量綱系數(shù)。

圖8 近海岸水流速曲線圖

4 造流過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 穩(wěn)定流速模擬

在圖2所示的實(shí)驗(yàn)室潮流模擬裝置中欲產(chǎn)生0.75 m/s的水流速，需要給定變頻器的頻率為50 Hz。在圖6所示的上位機(jī)界面，采集到的模擬流速如圖9所示。對于穩(wěn)定流速的模擬誤差采用模擬流速的平均值vˉ相對預(yù)設(shè)流速v的變化率來表示，經(jīng)計(jì)算，圖9的平均流速為0.78 m/s，因此穩(wěn)定流速的模擬誤差δ1為：

圖9 恒流速模擬曲線

4.2 橢圓余弦波流速模擬

根據(jù)圖7所示橢圓余弦波流速曲線進(jìn)行流速模擬，將仿真步長增大到1 s，其預(yù)設(shè)變流速曲線如圖10所示。采集到的流速曲線如圖11所示，與預(yù)設(shè)流速波形較為吻合。誤差采用模擬流速曲線和時間軸的面積S2與預(yù)設(shè)流速曲線和時間軸面積S1之差再與模擬流速曲線面積S1的商進(jìn)行評估，由于預(yù)設(shè)流速發(fā)送與模擬流速采集的時間單位都是1 s，與其對應(yīng)的流速值恰好為矩形，故其面積為流速所有數(shù)值之和。經(jīng)計(jì)算橢圓余弦波預(yù)設(shè)流速曲線和其模擬流速曲線的所有值之和分別為4.91 m/s和5.18 m/s，因此橢圓余弦波流速模擬誤差δ2為：

圖10 橢圓余弦波預(yù)設(shè)流速曲線

圖11 橢圓余弦波流速模擬曲線

4.3 沿岸流流速模擬

根據(jù)圖8所示沿岸流流速曲線進(jìn)行流速模擬，將流速隨位置的變化轉(zhuǎn)換為隨時間的變化并將仿真步長增大到1 s，其預(yù)設(shè)流速曲線如圖12所示。采集到的流速曲線如圖13所示。經(jīng)計(jì)算預(yù)設(shè)變流速曲線和模擬變流速曲線的所有值之和分別為7.54 m/s和7.99 m/s，因此沿岸流流速模擬誤差δ3為：

圖12 沿岸流預(yù)設(shè)流速曲線

圖13 沿岸流變流速模擬曲線

5 結(jié)語

由于潮流能發(fā)電海上實(shí)驗(yàn)的困難性和豎軸式潮流發(fā)電機(jī)的不足，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電模擬裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、成本低的優(yōu)勢?；贚abVIEW上位機(jī)軟件對模擬裝置中的造流方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了預(yù)設(shè)流速信號的發(fā)送以及模擬流速信號的采集。根據(jù)近海岸波浪理論，對穩(wěn)定流速、橢圓余弦波流速以及沿岸流流速分別進(jìn)行潮流模擬，模擬值雖比預(yù)設(shè)值較大但實(shí)驗(yàn)誤差在10%以內(nèi)，可以滿足近海岸潮流發(fā)電的模擬要求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室潮流發(fā)電的前期研究，為海上實(shí)驗(yàn)做充分的準(zhǔn)備。

[1]王世明，楊志乾，田卡,等.雙向直驅(qū)式潮流能發(fā)電輪機(jī)性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.海洋工程，2017,35（3）:119-124.

[2]張暉，鄭煒.Labview與Matlab混合編程的實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)軟件與軟件工程，2010，5:4322-4323.

[3]文圣常，余廟文.海浪理論與計(jì)算原理[M].北京：科學(xué)出版社,1985.

[4]吳宋仁.海岸動力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社,2000.

[5]連怡貞.近岸波浪變形數(shù)值模擬及破波帶沿岸流計(jì)算[D].天津：天津大學(xué)，2007.