小型海洋的波浪能液壓發(fā)電裝置

王典 翟娟 劉栩源 吳牧原 葉木森

摘? 要：文章針對(duì)傳統(tǒng)波浪能液壓發(fā)電裝置存在環(huán)境污染、安全性差等問題介紹了一種以水為介質(zhì)的液壓系統(tǒng)，有效解決傳統(tǒng)油壓存在問題。該裝置再通過以STM32F103VET6單片機(jī)為核心的參數(shù)檢測系統(tǒng)，從壓力檢測模塊、溫度檢測模塊、流量監(jiān)測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊四方面分別測量壓力、海水溫度、流量、轉(zhuǎn)速，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測附近海洋區(qū)域的環(huán)境是否適合發(fā)電。本裝置能耗低，效率高，應(yīng)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：波浪能；單片機(jī)；監(jiān)測；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP368.1；TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）10-0059-04

Abstract： Aiming at the problems of environmental pollution and poor safety of traditional wave energy hydraulic power generation device， this paper introduces a hydraulic system with water as the medium to effectively solve the problems of traditional oil pressure. The device measures the pressure， sea water temperature， flow and speed respectively from the four aspects of pressure detection module， temperature detection module， flow monitoring module and speed detection module through the parameter detection system with STM32F103VET6 Single-Chip Microcomputer as the core， so as to monitor in real time whether the environment of surrounding ocean area is suitable for power generation. The device has low energy consumption， high efficiency and broad application prospects.

Keywords： wave energy; Single-Chip Microcomputer; monitoring; energy saving

0? 引? 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球的石油儲(chǔ)量只能夠使用約45年，全球的天然氣儲(chǔ)量只能夠使用約50年。傳統(tǒng)能源使用過程中伴隨著污染與開發(fā)費(fèi)用越來越高的問題，人們不得不開始重視可再生能源的開發(fā)和利用。

世界上已經(jīng)有快三十個(gè)國家和地區(qū)投入到對(duì)海洋波浪能發(fā)電裝置的研究與開發(fā)當(dāng)中，他們研究出的不同種類的波浪能發(fā)電裝置和建成的發(fā)電站已經(jīng)進(jìn)入使用當(dāng)中，數(shù)量總共高達(dá)幾千座，也是具有八十萬千瓦以上的總裝機(jī)容量。在這種情況下，世界上海洋波浪能發(fā)電站的數(shù)量仍然以每年25%、發(fā)電總功率總和以每年10%的速度增長。目前在日本有超過1 500座波浪能發(fā)電裝置投入了使用。20世紀(jì)80年代中期至今，已經(jīng)建設(shè)了四座防波堤式和岸基固定式波浪能電站，它們的單機(jī)容量約為四十到一百二十五千瓦。英國也是波浪能開發(fā)利用良好的國家。英國的地理位置優(yōu)越，波浪能資源較優(yōu)良。從1970年起，波浪能發(fā)電研究成為英國新能源研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。2012年，英國政府正式啟動(dòng)了一例新能源資助計(jì)劃，資助約2 000萬英鎊的資金用來支持兩個(gè)波浪能發(fā)電的試點(diǎn)研究項(xiàng)目。我國最初的波浪能學(xué)習(xí)及開發(fā)起始于20世紀(jì)60年代末，最早興起于上海，同時(shí)我國將波浪能發(fā)電研究列入了國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，目的就是為了開發(fā)可循環(huán)利用的資源，但是至今普及率較低。

雖然波浪能一定程度上緩解了環(huán)境問題，但是如今波浪能發(fā)電裝置效率低，維修費(fèi)用高，容易被海水侵蝕，后期的維修不易，工程性低。本文中的裝置維修費(fèi)用相對(duì)減少，采用水資源清潔廉價(jià)，材料成本降低，效率提高。

1? 波浪能液壓發(fā)電裝置的總體設(shè)計(jì)

本文主要設(shè)計(jì)能夠在小型海域漂浮的波浪能浮標(biāo)供電裝置。其主要為對(duì)能量的轉(zhuǎn)換，通過液壓波浪能更加充分利用，提高能量使用效率，確保本裝置能夠維持海上裝置的部分電能。

本系統(tǒng)同時(shí)采用STM32單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，結(jié)合運(yùn)用了PCM300H型壓力傳感器、Pt100溫度傳感器、LWGY渦輪流量傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器A3144、液壓缸、液壓馬達(dá)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等模塊，使用C語言編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)捕獲波浪能后，用波浪能驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，再將其轉(zhuǎn)化為馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)的能量，最后用其催動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生電能。使用海洋的波浪能作為能源比較傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，海洋水資源分布廣泛，攜帶方便，不會(huì)需要較高費(fèi)用。天然水干凈優(yōu)質(zhì)，這也使該裝置的維護(hù)變得方便。以水為發(fā)電資源，其安全性也較高，不會(huì)造成人身危害。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2? 液壓系統(tǒng)模塊

2.1? 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由動(dòng)力原件及系統(tǒng)中的天然水，執(zhí)行元件及液壓馬達(dá)和液壓缸，控制元件各種液壓閥，管路及蓄能系統(tǒng)構(gòu)成。

其中，動(dòng)力系統(tǒng)使用的動(dòng)力不再是液壓油，而是天然水。與傳統(tǒng)的液壓油相比，水的儲(chǔ)備量充足，儲(chǔ)存方便，不會(huì)造成污染。水的雜質(zhì)少，阻力小，造成的壓力損失相較于油而言，所帶來的工作壓力減小。執(zhí)行元件由液壓馬達(dá)和液壓缸構(gòu)成。其主要將水源所形成的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅臋C(jī)械能。機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后由儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存電能。該液壓系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

2.2? 元件特點(diǎn)

在液壓系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦，隨之會(huì)產(chǎn)生大量熱量，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)損壞，把液壓油涂在系統(tǒng)表面能起到良好的潤滑作用。液壓油在一定程度上可以保護(hù)系統(tǒng)不被腐蝕。系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)，零件會(huì)產(chǎn)生一定的磨損，液壓油可以帶走這些磨損。

雖然液壓油有這一系列優(yōu)點(diǎn)，但是相比以水做介質(zhì)，仍然有很多不足。水的優(yōu)點(diǎn)如下：首先，以水為介質(zhì)的液壓技術(shù)有利于環(huán)保事業(yè)。水是最理想的環(huán)保使用資源。各國都在大力投資資金來開發(fā)以水為介質(zhì)的液壓技術(shù)。其次，用水來做介質(zhì)可以大幅度提升安全性。液壓油易燃，而水不可燃，耐高溫。在設(shè)備持續(xù)工作溫度較高時(shí)，水一定程度上可以為設(shè)備降溫，可以直接除去冷卻系統(tǒng)，代替易燃，價(jià)格高的液壓油，使液壓系統(tǒng)更加的精簡，減輕自身重量。最后，水的分布非常廣泛而且價(jià)格低廉，不用生產(chǎn)，保存，非常適用于小型海域。

3? 液壓系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測設(shè)計(jì)

3.1? 壓力檢測模塊

本裝置選擇的壓力傳感器為PCM300H型壓力傳感器。該裝置由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成，通過壓力敏感元件和信號(hào)原件實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力的檢測。PCM300H型壓力傳感器的測量范圍為0～16 MPa。該傳感器內(nèi)部的高精度電路可以高效率地處理輸出信號(hào)將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。輸出信號(hào)的范圍為4～20 mA電流。壓力傳感器電路圖如圖3所示。

PCM300H型壓力傳感器由不銹鋼材料制成，具備體積小、質(zhì)量輕、密封性好、抗震等優(yōu)點(diǎn)。該壓力傳感器在小型海域中測量壓強(qiáng)，通過裝置中的應(yīng)變電阻形變，產(chǎn)生阻值變化，通過內(nèi)部電路處理，轉(zhuǎn)換為電流。

3.2? 溫度檢測模塊

該裝置選用的溫度檢測裝置為Pt100溫度傳感器。該裝置是一種將溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。傳感器的變送器通常由傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器兩部分組成。信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成。傳感器主要采用熱電阻作為其感應(yīng)元件。信號(hào)轉(zhuǎn)換器則由測量單元、信號(hào)處理單元兩部分構(gòu)成。

該傳感器的溫度采集范圍測量范圍大，在-200～+850 ℃之間。Pt100溫度傳感器作為測溫元件，位于不銹鋼殼體內(nèi)，測量水介質(zhì)溫度變化。在海水中感受到溫度變化時(shí)，熱電阻便會(huì)產(chǎn)生電阻效應(yīng)，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換之后輸出電流，收集數(shù)據(jù)。溫度傳感器電路圖如圖4所示。

3.3? 流量檢測模塊

本裝置采用的是LWGY渦輪流量傳感器。該傳感器是一種能夠測量精密流量的機(jī)器表，其結(jié)構(gòu)主要由儀表殼體、導(dǎo)流器、葉輪（渦輪）、軸承和信號(hào)檢測放大器等組成。該裝置能夠通過水流的流量和總量精確測量。在實(shí)驗(yàn)中，在水流通過時(shí)與葉輪葉片形成一定的角時(shí)，葉片再形成旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到穩(wěn)定，使轉(zhuǎn)速與流速形成平衡狀態(tài)。葉片具有導(dǎo)磁性，可以在磁場中旋轉(zhuǎn)，從而切割磁感線，再周期性的改變線圈的磁通量，形成電流信號(hào)。

該儀器無零點(diǎn)漂移，抗干擾能力強(qiáng)，精準(zhǔn)度可以達(dá)到±1% R、±0.5% R。其重復(fù)性良好，可以在校準(zhǔn)之后得到極高的精確度。該儀器結(jié)構(gòu)簡單，輕巧，反應(yīng)速度靈敏，方便維護(hù)，適合用于小型海域當(dāng)中。LWGY渦輪流量傳感器電路圖如圖5所示。

3.4? 轉(zhuǎn)速檢測模塊

該裝置選用的轉(zhuǎn)速檢測模塊是霍爾效應(yīng)傳感器A3144。該裝置的工作溫度范圍大，其溫度范圍可以達(dá)到-40～150 ℃。該裝置由電壓調(diào)整電路、反相電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、微信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出級(jí)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)輕巧簡答，開始時(shí)不會(huì)形成火花，體積小，靈敏度高，使用壽命長。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸上安裝的磁鐵在液壓馬達(dá)工作時(shí)，被轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)其一起轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器在檢測磁場時(shí)，可以感應(yīng)到一個(gè)脈沖信號(hào)，通過此脈沖信號(hào)，可以再通過單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換測量出轉(zhuǎn)速?；魻栃?yīng)傳感器電路圖如圖6所示。

3.5? 單片機(jī)模塊

該裝置設(shè)計(jì)以STM32F103VET6單片機(jī)為核心。STM32

F103VET6單片機(jī)擁有32個(gè)微控制器單元，4個(gè)16位計(jì)時(shí)器，3個(gè)12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)PWM計(jì)時(shí)器和眾多IO口，可實(shí)現(xiàn)許多功能。STM32F103VET6單片機(jī)引腳圖如圖7所示。

該單片機(jī)內(nèi)含18個(gè)復(fù)用通道，可實(shí)現(xiàn)單次，多次掃描。其內(nèi)部配備豐富裝置，并且能夠外設(shè)豐富的資源。該芯片價(jià)格低廉，效率高，能耗低，功能多，使用價(jià)值高并且使用簡單。

4? 系統(tǒng)軟件模塊

本系統(tǒng)軟件模塊采用Keil軟件編寫調(diào)試，單片機(jī)開發(fā)。程序包括將液壓系統(tǒng)放入海域中發(fā)電時(shí)檢測周圍環(huán)境，通過LCD1602顯示收集液壓數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)和水流量，將收集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測是否過載。如果過載，LED指示燈亮蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，停止數(shù)據(jù)收集。系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

5? 試驗(yàn)檢測與分析

首先，將該STM32單片機(jī)配置完整。

該裝置實(shí)物圖如圖9所示。

先檢測檢測壓力模塊，壓力傳感器為PCM300H型壓力傳感器。該裝置在水中受到壓力之后，等待一段時(shí)間，啟動(dòng)單片機(jī)。海水中的壓力傳感器檢測到壓力之后，其中的敏感元件直接感受變化，變換元件將敏感元件感受的變化輸出轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流，最后顯示為數(shù)碼管數(shù)值。在溫度測試時(shí)，同樣在裝置放入水中之后，等待一段時(shí)間，再使用單片機(jī)檢測溫度，再記錄數(shù)據(jù)。該裝置測試時(shí)，運(yùn)行良好，測量準(zhǔn)確。使用八段數(shù)碼管顯示，無雜亂陰影，測試結(jié)果，如圖10所示。

在溫度檢測中，溫度檢測裝置檢測海水溫度正常，結(jié)果如圖11所示。

表1為從2022年7月15日起，連續(xù)八天每天15：00間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)界限，就會(huì)立刻響起警報(bào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，該液壓裝置能有效檢測周圍環(huán)境，響應(yīng)速度快。

6? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)一種新型的以天然水為介質(zhì)的液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)以液壓系統(tǒng)發(fā)電，再通過以STM32F103VET6單片機(jī)為核心的參數(shù)檢測系統(tǒng)檢測溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速。其保證了工作的可靠性、安全性、便利性，是水資源利用的新思路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該液壓裝置能夠在小型海域良好運(yùn)行，并且收集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高，反應(yīng)迅速，可以在小型海域中有效地收集波浪能。

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作者簡介：王典（2001—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)；通訊作者：翟娟（1990—），女，漢族，江蘇揚(yáng)州人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)。