多俘能原理波力發電實驗教學平臺的開發

張永良, 俞慧峰

(清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室, 北京 100084)

中國海域的波高普遍較小、周期較短、能流密度較低[1-2]。這就更需要高效地開發和利用這些資源,避免資源浪費,確保波浪能資源開發的可持續發展,保證回報的最大化。海洋波浪能轉換技術經過20多年的快速發展,世界上眾多國家和地區的科學家已提出了300多種波力發電裝置和6 400多項波浪能轉換技術專利[3]。然而,如何高效地利用海洋波浪能和確保全生命周期內裝置的可靠性和生存性問題至今尚未得到根本解決,這嚴重阻礙著波浪能利用的產業化發展[4-5]。

最近10年來,我國高度重視波浪能資源的利用和開發[6-8],我校也在不斷地加強這一領域的學科建設,開設輔修學位課程,每年我校多個系的本科生學習海洋波浪能利用方面的知識和參加波浪能利用的創新大賽,波浪能的利用是發明家的樂園。傳統的課堂教學束縛了學生創新思維和創新意識,使得學生的創新能力和實踐能力得不到挖掘和發揮。海洋波浪能利用的實驗教學平臺[9]能較好地讓學生認識和掌握海洋波浪能的開發方法以及流體、結構、機電3個一級學科交叉的知識。為了更好地培育學生的創新思維和提高學生的創新能力、提升具有開拓性思維和實驗教學水平和培養高素質復合型的人才,開發一個具有功能更強的海洋波浪能利用的實驗教學平臺顯得尤為必要和重要,特別是一個具有前沿技術的多俘能原理[10]的波力發電系統的實驗平臺,以便激發學生的創新靈感和了解最前沿的科學技術。據了解,至今為止還沒有建立起一個多俘能原理的海洋波浪能利用實驗教學平臺,這是對之前所建立的海洋波浪能利用的實驗教學平臺[9]的進一步發展。本文介紹首個多俘能原理的波力發電實驗教學平臺開發。下面對海洋波力發電的實驗教學平臺的建設、功能和特色進行介紹和討論。

1 實驗教學平臺的開發

多俘能原理海洋波力發電實驗教學系統主要包括1個新型波浪能采集裝置、1個電力輸出系統和1組實時數據監測采集單元。波浪能采集裝置放置于長、寬、高分別為40 m、2.5 m、1.5 m的波流水槽中(見圖1)。該裝置主要由2節鉸接的浮體、懸擺板、液壓活塞缸、系泊系統、水輪機和發電機組成。在波流水槽的一端設有造波機,該造波機可造出各種規則波和非規則波,所造的波浪周期為0.3～3.0 s,波高為0～0.4 m；在波流水槽的另一端設有消浪設施,可消除入射波的波浪。

圖1 實驗教學裝置照片

系泊系統中的浮球一端通過錨鏈連接到波浪水槽底部,而其另一端連接到鉸接浮體迎波浪的一端,浮球的作用是優化波浪能采集裝置所受系泊力。2節浮體和一懸擺板鉸接在一起(見圖2、圖3),在波浪作用下可發生繞水平鉸發生相對轉動。在鉸接處的上方設置一液壓缸,而液壓缸的活塞桿連接S型的測力計,然后再和其缸底分別鉸接到前后浮體上的剛性支架上,另一液壓缸連接到后浮體和懸擺板上(見圖3)。在波浪的作用下,前后2節浮體以及后浮體和擺板間發生相對轉動,使所安裝的液壓缸活塞沿其軸向發生相對位移,從而將波浪能轉換成機械能。此外,在2節浮體的內部均設置了滑軌,滑軌上有一個載有配重的小車,小車前后各有一根彈簧連接到浮體前后端部,統稱配重振子(見圖3),配重質量與彈簧剛度均可以改變,與傳統固定配重相比,其可以增強前后浮體的相對轉動幅度,從而提高波浪能俘獲效率。

圖2 2浮體鉸接處的照片

圖3 滑軌上的配重振子和懸擺板

在液壓缸缸底連接一個三通管,三通管的一個開口通過進水單向閥與進水管相連,進水管直接伸入波流水槽中的水面以下,三通管的另一個開口通過出水單向閥與管道水輪機相連。在波浪的作用下,2浮體繞水平鉸軸作周期性地相對轉動,驅動在鉸接處安裝的液壓缸活塞桿相對于缸體作往復直線運動。當活塞桿抽離缸體方向時,波流槽內的水經進水管和進水單向閥被吸入缸體內；當活塞桿做壓入缸體方向運動時,壓出液壓缸內所吸入的水體,管內水流驅動管道水輪機旋轉,從而實現波浪能轉變成機械能。

裝置中2節浮體的基本參數相同,浮體寬60 cm、高20 cm、長180 cm、吃水深10 cm。鉸接處布置的懸擺板長度20 cm、40 cm和60 cm,寬度為60 cm。鉸接的每一節浮體頂部設有窗口,便于在浮體內調整振子的質量和彈簧的剛度。浮體頂部的窗口是可視窗口,便于觀測浮體內部振子的運動特性。2節浮體在鉸接的一端均安裝了剛性支架,分別與液壓缸的缸底和活塞桿端部鉸接。裝置中液壓缸缸體內徑和外徑分別為2.0 cm和2.4 cm,活塞的有效行程20 cm。

電力輸出系統由發電部分(發電機)與顯電部分(示波器與發光板)組成(見圖4)。發電部分是水輪機旋轉,進而帶動發電機發電。顯電部分,發電機發出的電會通過電線輸出,輸出到發光板可以點亮發光板上的一系列二極管,發光板有多種形式,相互之間還可以進行串并聯,圖4中的發光板為新型波浪能采集裝置名稱“WAVE loong”,而輸出到示波器可以顯示發電機的發電電壓,進而計算并輸出發電功率。

圖4 電力輸出系統的顯電部分

實時數據監測采集單元主要包括傾角傳感器、激光位移傳感器、拉壓力傳感器、浪高儀以及流速儀單元,如圖5所示,每個數據監測采集單元均由采集器與控制程序構成。傾角傳感器單元在前后浮體表面各設置1個,用于測量前后浮體各自的轉動角度,兩結果相減可得兩鉸接浮體的相對轉動角度；激光位移傳感器單元在兩鉸接浮體內部各設置1個,用于監測配重振子中小車的位移隨時間的變化過程；拉壓力傳感器單元設置于液壓缸的活塞桿軸上,用于測量活塞桿的軸向作用力隨時間的變化過程；浪高儀單元設置在水槽中,用于監測造波機所造波浪的波高、周期特性,控制波浪條件；流速儀單元同樣放置在水槽中,用于監測造流系統所造流的流速特性,控制流速的條件。

圖5 實時數據監測采集單元

2 實驗教學平臺的功能

海洋波力發電實驗教學平臺可根據我國4大海域波浪要素的實際情況,結合波流水槽的大小及其造波造流能力條件,可按一定縮尺來模擬實際的海況,從而量測各物理和幾何要素如何影響鉸接浮體的相對角位移、振子的位移、液壓缸活塞桿的拉壓力、輸出電壓和發電效率。實驗教學平臺主要有下面的特色功能。

(1) 分別改變波浪的波高和周期。通過傾角傳感器分別量測鉸接的2個浮體的角位移,從而分析波浪要素對鉸接浮體間相對角位移的影響規律；通過布置在活塞桿軸上的拉壓力傳感器來觀測活塞桿所受軸向力隨時間的變化過程,從而分析波浪要素對活塞作用力的影響規律；通過布置在浮體內部的激光位移計,來觀測振子的位移,來分析波浪要素對振子往復運動隨時間變化規律；通過示波器來讀取電壓,從而分析電壓隨波浪要素的變化規律。

(2) 分別改變振子的質量和彈簧的剛度。通過傾角傳感器、接壓力計、激光位移計和示波器分別觀測2個浮體間的相對角位移、活塞桿的軸力、振子的位移和輸出電壓,從而分析振子的質量和彈簧的剛度對鉸接浮體間相對角位移、液壓缸軸向力、振子振動響應、發電功率的影響規律。

(3) 分別改變電路中的負載。通過傾角傳感器、接壓力計、激光位移計和示波器分別觀測2個浮體間的相對角位移、活塞桿的軸力、振子的位移和輸出電壓,從而分析電路負載對鉸接浮體間相對角位移、液壓缸軸向力、振子振動響應、發電功率的影響規律。

(4) 分別改變懸板的長度。通過傾角傳感器、接壓力計、激光位移計和示波器分別觀測2個浮體間的相對角位移、活塞桿的軸力、振子的位移和輸出電壓,從而分析懸板長度對鉸接浮體間相對角位移、液壓缸軸向力、振子振動響應、發電功率的影響規律。

(5) 分別改變水流流速。通過傾角傳感器、接壓力計、激光位移計和示波器分別觀測2個浮體間的相對角位移、活塞桿的軸力、振子的位移和輸出電壓,從而分析水流流速對鉸接浮體間相對角位移、液壓缸軸向力、振子振動響應、發電功率的影響規律。

3 實驗教學平臺的特色

多浮能原理海洋波力發電實驗教學平臺根據我國4大海域波浪條件,結合自身的硬件和軟件條件及專業特色,設置了海洋波浪能利用的實驗教學平臺特色欄目。由于特色欄目中富有創新性的內容,為了維護教師的知識產權權益,學生需進行注冊之后,方可利用特色項目中的資源。

(1) 實驗電子課件。及時把各波力發電的實驗課程的電子課件上傳到學校的網絡學堂,從而讓學生在課前下載進行預習,熟悉、理解和掌握實驗的目的、內容、原理和步驟,提高實驗教學效率和質量。

(2) 實驗教學內容。我國的海洋強國戰略,迫切需要我們培養出更多的具有創新型和復合型的人才,而實驗教學恰恰是培養學生理論和實踐相結合的重要載體,也是培養學生綜合應用各學科知識及提升創新和實踐能力的重要環節。當今世界科技日趨重視學科交叉,單一學科知識實驗教學內容已無法滿足21世紀培養創新型復合型人才目標的需要,而創新思維、創新能力和實踐能力一定是在主動地運用多學科知識和技能的實踐過程中形成的。圍繞培養學生的創新意識和實踐能力所創設的波力發電實驗教學平臺,具有較豐富的功能,從而根據學生的發散思維,可在該平臺上實施創新性的實驗內容。采用學生自主設立的創新大賽實驗課題和教師每年設立的開放性創新實驗課題相結合方法,提供學生自主探索、創新、綜合實踐鍛煉的機會。教師每年設立的SRT課題,在全校發布,便于各系學生自由申請組隊,開展創新實驗。

(3) 多學科知識融合。要實現高效、可靠地進行波力發電,還面臨著一些涉及流體力學、結構動力學、機械學、電學學科交匯在一起的技術難題,迫切需要具有多學科知識并運用多學科知識解決問題能力的人才。海洋波力發電教學實驗能讓學生較好地觀察流-固-機-電耦合的相互作用機理,通過實驗能較好理解和掌握流-固-機-電學科的知識,培養學生綜合應用多學科知識來分析和解釋實驗中所觀察到的各種物理現象,掌握多學科知識,提高運用多學科知識解決實際問題的能力。

(4) 前沿技術探索。至今為止,波力發電技術還未實現商業化,一個很重要的原因是效率較低、頻響寬度較小,為了解決好該問題,提出并建立了多俘能原理的新穎波浪能裝置的實驗教學平臺。該實驗教學平臺為學生進行前沿技術探索提供了可能,并激發學生熱愛海洋波力發電,可充許學生在現有裝置的基礎上,提出技術改進或發明更新穎裝置技術,加深對開發新能源的認知和探索熱情。

(5) 團隊合作精神。該實驗教學平臺上開展實驗,牽涉到多個方面的實驗內容和實驗操作,如操作造波和造流,觀測角位移、平移、拉壓力、電壓、波浪要素、水流要素等,要求多位學生通力合作開展實驗。

4 結語

我校為進一步加強海洋工程學科的建設,在計算機自動控制的波流水槽的基礎上,在國際上首次開發了具有5項功能的多俘能原理波力發電的實驗教學平臺。該平臺根據我國4大海域的海況和結合學校自身的實際條件,設置了一些創新性的欄目,提供實踐創新性實驗教學內容,融合多學科知識,探索前沿科學技術和培養團隊合作精神。多俘能原理波力發電實驗教學平臺是圍繞著培養創新型的復合型人才的目標而建立的,提升了實驗教學水平,激發學生的學習興趣，培育了學生的創新思維和提高學生的創新能力。