金豁然李德堂呂 沁胡星辰魏 卓

（1.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山316022； 2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 舟山 316022）

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波浪數(shù)據(jù)采集與雙向振蕩波浪發(fā)電裝置仿真

金豁然1，2李德堂1，2呂 沁1，2胡星辰1，2魏 卓1，2

（1.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山316022； 2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 舟山 316022）

［摘 要］波浪發(fā)電裝置能量轉(zhuǎn)換效率是表征其性能的重要指標(biāo)，而各轉(zhuǎn)換部分相關(guān)的數(shù)據(jù)均需要通過復(fù)雜、繁瑣和成本極高的傳統(tǒng)測(cè)試方式獲得。通過LabVIEW設(shè)計(jì)了一套波浪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用虛擬儀器采集發(fā)電裝置所在水域的波浪數(shù)據(jù)。同時(shí)，基于AMEsim建立波浪振蕩發(fā)電裝置的仿真模型，通過給定模擬信號(hào)，仿真液壓系統(tǒng)中馬達(dá)的壓力、轉(zhuǎn)速和扭矩特性曲線。與傳統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真的合理性，仿真結(jié)果可為波浪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)的可行性和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

［關(guān)鍵詞］LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；波浪發(fā)電；AMEsim；轉(zhuǎn)換效率

李德堂（1965-），男，教授級(jí)高工，研究方向：海洋工程與海洋新能源開發(fā)。

呂 沁（1990-），男，碩士，研究方向：海洋工程水動(dòng)力。

胡星辰（1989-），男，碩士，研究方向：海洋工程水動(dòng)力。

魏 卓（1992-），男，碩士，研究方向：海洋工程與液壓。

引 言

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，不可再生資源越來越少，人們對(duì)新能源的迫切需求不言而喻。而海洋波浪能是一種儲(chǔ)存量大、清潔無污染的可再生資源，這就使人們把目光瞄準(zhǔn)了海洋。為有效利用波浪能，緩解我國能源危機(jī)，前人設(shè)計(jì)出一些實(shí)用的波浪能發(fā)電裝置，而能量轉(zhuǎn)換效率則是能量利用的重要參數(shù)，也是衡量發(fā)電裝置設(shè)計(jì)是否合理的標(biāo)志。衛(wèi)林超、單長飛、李德堂［1］設(shè)計(jì)出一套雙向振蕩波浪發(fā)電裝置，并通過實(shí)驗(yàn)證明了此裝置的能量轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到12.17%，但測(cè)試過程十分繁瑣，操作過程復(fù)雜，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力，不利于實(shí)踐工作的進(jìn)行。本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一套實(shí)波采集系統(tǒng)，并通過AMEsim仿真即可獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且可為波浪發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比，這種虛擬儀器測(cè)試技術(shù)與數(shù)字仿真相結(jié)合的方式，方便實(shí)用、自動(dòng)化程度高、獲取數(shù)據(jù)成本低。傳統(tǒng)的測(cè)試儀器是由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大硬件組成［2］，功能單一、作用有限、不夠靈活，特別是價(jià)格昂貴，儀器操作復(fù)雜而且測(cè)試精度相對(duì)較低。而以“軟件代替硬件”是虛擬儀器最為突出的特點(diǎn)，其測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)處理和結(jié)果顯示部分的硬件可由軟件直接代替［3］，從而能夠節(jié)省成本，便于集中操作。AMEsim是法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件，它為設(shè)計(jì)人員提供便捷的開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多科學(xué)交叉領(lǐng)域系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，能在此基礎(chǔ)上設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真分析［4］。

1　雙向振蕩波浪發(fā)電裝置

雙向振蕩發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該裝置主要由浮筒、雙向作用液壓缸、閥件、液壓管路、儲(chǔ)能器、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)及燈泡（負(fù)載）等組成。其工作原理為：浮筒接受波浪的能量做垂向運(yùn)動(dòng)從而推動(dòng)活塞上下移動(dòng)，將浮筒機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能器中，儲(chǔ)能器經(jīng)壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后釋放穩(wěn)定的液壓油，恒壓驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電。其中儲(chǔ)能器不僅可以將波浪的起伏能進(jìn)行儲(chǔ)存，而且還能把下降過程中的波浪能儲(chǔ)存起來，然后穩(wěn)定釋放，避免發(fā)生因過載而停機(jī)，增強(qiáng)發(fā)電機(jī)連續(xù)工作能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性和大浪下的發(fā)電能力，解決波浪能輸出不穩(wěn)定不連續(xù)的關(guān)鍵難題。發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換流程如圖2所示，發(fā)電裝置原理圖如圖3所示。

圖1　結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　能量轉(zhuǎn)換流程圖

圖3　發(fā)電裝置原理圖

2　波浪數(shù)據(jù)采集

2.1采集裝置及方法

波浪的相關(guān)數(shù)據(jù)由高精度激光測(cè)波裝置來采集記錄，如圖4所示。該裝置主要包括：激光位移傳感器、DAQ數(shù)據(jù)采集機(jī)箱、滑竿、浮標(biāo)和LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。浮標(biāo)是由泡沫材質(zhì)制作而成，質(zhì)量輕便，能很好地反應(yīng)波浪的運(yùn)動(dòng)軌跡。發(fā)電裝置所在波況通過LabVIEW編程采集，經(jīng)過處理后儲(chǔ)存到電腦硬盤中。

圖4　測(cè)浪裝置示意圖及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

波浪具有很大的隨機(jī)性，不規(guī)則特點(diǎn)非常明顯，所以要對(duì)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)波浪的運(yùn)動(dòng)軌跡，將連續(xù)觀測(cè)得到的波高值由大到小的順序排列，對(duì)前N/3個(gè)大波求平均值得到的波高即為有義波高H1/3（有效波高），對(duì)應(yīng)前N/3個(gè)波浪周期取平均值得到有效周期T［5］。有效波高的計(jì)算方法如式（1）所示。

式中：N為波的總個(gè)數(shù)；H為波高。

2.2波浪數(shù)據(jù)采集

2.2.1系統(tǒng)組成

基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩部分組成，其中包括傳感器、硬件驅(qū)動(dòng)程序和LabVIEW數(shù)據(jù)采集VI等［3］。通過LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集程序，會(huì)采集并保存MAX（配置管理軟件）對(duì)數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置的參數(shù)，流程如圖5所示。

圖5　采集系統(tǒng)流程圖

2.2.2系統(tǒng)硬件

DAQbook為LERO公司出品的一款數(shù)據(jù)采集機(jī)箱，擁有多個(gè)數(shù)據(jù)采集接口，供各類傳感器連接，其使用USB數(shù)據(jù)線作為數(shù)據(jù)傳遞總線，只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)便可完成所有的測(cè)試任務(wù)。

計(jì)算機(jī)外的DAQbook數(shù)據(jù)采集卡首先會(huì)獲取采集的數(shù)據(jù)，然后通過USB總線將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，信號(hào)的顯示，數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、讀取和分析等功能會(huì)通過電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。其中激光位移傳感器實(shí)物如圖6所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖6　激光位移傳感器

表1　YF-YJ50激光位移傳感器的基本參數(shù)

2.2.3系統(tǒng)軟件

基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分一般是由驅(qū)動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)程序接口和虛擬儀器軟件構(gòu)成，而虛擬儀器數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心［3］，也是系統(tǒng)的重要組成部分。LabVIEW編程又稱為“G語言”，使用者采用圖標(biāo)與連線的方式，可以像畫電路板一樣編寫程序，非常形象、通俗易懂且易于操作［4］。文中設(shè)計(jì)了一套波浪振蕩發(fā)電裝置的波浪采集系統(tǒng)，其包括了系統(tǒng)登入界面、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊和數(shù)據(jù)顯示界面。

設(shè)計(jì)良好的用戶登入界面會(huì)給人一種友好的感覺，本文編寫了一套精良的登錄界面。登錄系統(tǒng)程序框圖的設(shè)計(jì)如圖7所示，其中程序中使用了子VI。程序使用平鋪順序結(jié)構(gòu)，其中每一個(gè)子程序框圖稱為一個(gè)“幀”，此結(jié)構(gòu)能夠保證每個(gè)幀中的程序從左往右的順序逐一執(zhí)行，防止系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生混亂。

圖7　登錄程序框圖

采集系統(tǒng)主要包括兩部分設(shè)計(jì)，即虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存是測(cè)試系統(tǒng)必需具備的功能，可供以后查看和分析，相當(dāng)重要。系統(tǒng)可將需要采集的數(shù)據(jù)保存在指定的文件中，并儲(chǔ)存在電腦硬盤里，以免數(shù)據(jù)丟失，程序框圖設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)采集程序框圖

整個(gè)采集系統(tǒng)的用戶界面如圖9所示。界面中，各個(gè)板塊分類合理且排列整齊、簡潔、美觀，方便集中操作和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3數(shù)據(jù)分析

波浪采集系統(tǒng)會(huì)將采集到的波浪數(shù)據(jù)保存到指定文件中，數(shù)據(jù)結(jié)果如下頁表2所示。

圖9　用戶操作界面

表2　實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)

由表2可知，波況：水深為2.9 m，測(cè)量波數(shù)為120個(gè)。有義波高為0.3 m，周期為3.4 s，波形可近似為正弦波。

3　仿真分析

3.1建模與參數(shù)設(shè)置

AMEsim有4個(gè)工作模式，用戶可以搭建草圖，修改元件子模型，設(shè)置子模型的參數(shù)，進(jìn)行仿真。基于AMEsim建立的雙向振動(dòng)波浪發(fā)電裝置的模型如圖10所示。

仿真回路中從左至右的兩個(gè)三位四通電磁閥分別標(biāo)記為閥1、閥2，對(duì)應(yīng)的分段線性信號(hào)源和儲(chǔ)能器分別標(biāo)記為信號(hào)1、信號(hào)2和儲(chǔ)能器1、儲(chǔ)能器2。

在建立系統(tǒng)模型后，進(jìn)入Submodel mode，為系統(tǒng)每一個(gè)元件分配一個(gè)數(shù)學(xué)模型，這里使用Primier submodel為各個(gè)元件選擇子模型。

系統(tǒng)中各元件的參數(shù)設(shè)置十分關(guān)鍵，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定程度。在Parameter mode下設(shè)置系統(tǒng)元件的參數(shù)：根據(jù)采集到的波浪數(shù)據(jù)，以及發(fā)電裝置各元件的類型設(shè)置參數(shù)如表3所示，其中正弦信號(hào)源用于模擬正弦波，參數(shù)設(shè)置依據(jù)源于上述波浪采集系統(tǒng)采集到相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖10　AMEsim仿真回路

表3　系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

在Simulation mode下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間設(shè)置為10 s，通信間隔設(shè)置為0.001 s，運(yùn)行仿真。

3.2仿真結(jié)果分析

3.2.1研究對(duì)象

對(duì)于波浪發(fā)電裝置，我們最為關(guān)注發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能，而發(fā)電機(jī)直接由液壓馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)馬達(dá)性能的分析尤為最要。液壓馬達(dá)輸出量的大小和穩(wěn)定程度，將直接影響到發(fā)電機(jī)的安全性和可持續(xù)性，這里對(duì)液壓馬達(dá)的性能進(jìn)行仿真分析。

3.2.2液壓馬達(dá)仿真分析

在上述給定模型信號(hào)和液壓元件參數(shù)設(shè)置條件下，對(duì)液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。

由圖11-圖13分析得：在前5 s內(nèi)，由儲(chǔ)能器1釋放液壓油，后5 s是由儲(chǔ)能器2提供，2個(gè)儲(chǔ)能器交替工作，為液壓馬達(dá)提供可續(xù)、穩(wěn)定的液壓油，推動(dòng)液壓馬達(dá)持續(xù)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)作。其中，2個(gè)儲(chǔ)能器儲(chǔ)存的液壓能均是由波浪能轉(zhuǎn)換獲得。在啟動(dòng)階段和儲(chǔ)能器交替工作瞬間，馬達(dá)的各項(xiàng)性能參數(shù)都會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但持續(xù)時(shí)間較短，很快就會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)馬達(dá)性能的影響可以忽略不計(jì)。由圖中可以看出：液壓馬達(dá)的進(jìn)口壓力大致在2.5 MPa，扭矩和轉(zhuǎn)速分別保持在58 Nm和65 r/min附近波動(dòng)。

圖11　液壓馬達(dá)進(jìn)口壓力

圖12　壓馬達(dá)輸出扭矩

圖13　液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速

3.2.3仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖14中給出試驗(yàn)測(cè)得的多項(xiàng)數(shù)據(jù)，其中系統(tǒng)的壓力基本穩(wěn)定在2 MPa，與仿真結(jié)果2.5 MPa出現(xiàn)一定的偏差，這是因?yàn)樵诜抡孢^程中未考慮浮筒的取能效率，且將測(cè)得的波浪數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成正弦波直接作用到油缸上，所以仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)了一定的誤差，在允許范圍內(nèi)認(rèn)為對(duì)波浪發(fā)電裝置的仿真結(jié)果較為合理。

4　結(jié) 論

利用LabVIEW編程對(duì)雙向振動(dòng)波浪發(fā)電裝置所在水域進(jìn)行波浪數(shù)據(jù)采集，基于AMEsim軟件對(duì)發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1）LabVIEW具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能，通過合理的編程，僅使用一臺(tái)電腦、一個(gè)數(shù)據(jù)采集機(jī)箱和一個(gè)傳感器就能夠?qū)﹄p向振蕩波浪發(fā)電裝置所在水域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并儲(chǔ)存在電腦硬盤中，供以后處理分析。

（2）使用AMESim軟件能夠有效的仿真波浪發(fā)電液壓系統(tǒng)，并且能夠直觀反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。只要參數(shù)設(shè)置合理，液壓系統(tǒng)馬達(dá)輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速都會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)就會(huì)運(yùn)行安全平穩(wěn)，對(duì)波浪發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

（3）通過仿真和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真的合理性。同時(shí)，仿真得到的數(shù)據(jù)可為波浪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)的可行性提供依據(jù)。

［參考文獻(xiàn)］

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Wave data acquisition and simulation for two-way wave power generating device

JIN Huo-ran1,2LI De-tang1,2LQin1,2HU Xing-chen1,2WEI Zhuo1,2
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China; 2. Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province, Zhoushan 316022, China)

Abstract:The energy conversion efficiency is a crucial index indicating the performance of a wave power generation device. The relevant data of each conversion part is often acquired through the complex, cumbersome and high cost traditional test method. In this paper, a set of wave data acquisition system that is designed based on LabVIEW collects the wave data surrounding the power generation device by virtual instruments. In addition, the simulation model of wave power generation device is built by AMEsim. The motor pressure, rotating speed and torque characteristic curve are simulated through the given analog signals. It verifies the rationality of the simulation in comparison with the traditional experimental data. The simulation results can provide certain reference for the feasibility and parameter optimization design of wave power generation devices.

Keywords:LabVIEW; data acquisition; wave power generation; AMEsim; conversion efficiency

［中圖分類號(hào)］TH85+3

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）02-0066-07

［基金項(xiàng)目］國家海洋局可再生能源專項(xiàng)資金項(xiàng)目（ZJME2011BL04），上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金資助項(xiàng)目（1205），舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014C41013）。

［收稿日期］2015-12-17；［修回日期］2015-12-29

［作者簡介］金豁然（1990-），男，碩士，研究方向：海洋工程與液壓。