潮流能捕获桨叶综合实验测试系统

黄方平， 陈洪波， 张 利， 林 躜

(浙江大学 a.宁波理工学院，浙江 宁波 315100；b.机械工程学院，浙江 杭州 310027)



潮流能捕获桨叶综合实验测试系统

黄方平a， 陈洪波b， 张 利a， 林 躜a

(浙江大学 a.宁波理工学院，浙江 宁波 315100；b.机械工程学院，浙江 杭州 310027)

在研究潮流能桨叶和实验测试系统的基础上，设计了2 kW潮流能捕获桨叶综合实验测试系统，主要由潮流模拟装置、潮流能捕获装置、传动装置、测控装置组成。利用该实验系统可模拟2 m/s以下的潮流运动，测试不同流场下桨叶的捕能效率。设计并制作了不同设计流速的两种桨叶实物，进行测试比较，同时对测试数据进行分析,得到桨叶捕能性能的综合评判。实验测试系统运行稳定，工作可靠，控制方便。

潮流能； 实验测试系统； 桨叶； 水动力性能

0 引 言

我国潮流能资源丰富，据评估，中国沿岸潮流能平均功率约有14万MW[1]。潮流能具有强规律性、可预测性、能量密度大、利用方便等特点[2]。潮流能作为一种清洁可再生能源，对改变能源结构、缓解能源危机，开发开放海域荒岛等具有重要意义。

目前潮流能的主要开发应用方式是发电，潮流能发电系统具有自启动性能好、便于直驱传动和开展各种控制方法等优点[3-4]。桨叶是潮流能捕获的关键部件，对于整个潮流能发电系统至关重要，桨叶的捕能效率直接决定系统的发电量。潮流能捕获桨叶设计目前主要借鉴风力发电桨叶的设计准则，尚无统一的设计理论和方法[5-7]。同时，由于潮流发电具有自身的特性，设计桨叶的综合性能需要实验验证。另外水动力学性能经验公式和数值模拟大都建立在理想化的假设基础上，其计算结果也需要实验验证[8]，而捕能系统海上实验成本高、环境恶劣，因此建立桨叶的综合性能实验测试平台对验证数值模拟结果、指导桨叶设计和海上实验具有重要意义。

目前，国内模拟实验水池大都集中在科研单位和高等院校，主要为大型的船模实验池或多功能综合水池，侧重的是舰船制造技术的研究、海洋水动力模拟或者整个发电系统的研究，建设规模大、运行成本高[9-10]。本文对潮流能捕获桨叶的综合性能测试实验系统进行了设计研究，同时进行了桨叶的综合捕能效率测试实验，对桨叶的综合性能进行了评价。

1 实验系统设计及工作原理

实验系统总体方案如图1所示。其工作原理为：潮流模拟装置在测控装置控制下产生给定速度的模拟潮流，潮流能捕获装置(通常为桨叶)捕获潮流能，并通过传动系统使发电机工作带动负载，由负载进行耗能和转矩的调节。同时测控系统对传动系统的各种参数进行测量，进行桨叶的水动力性能综合测试。

图1 系统总体方案

整个系统以70 m长，4 m宽的“L”形实验水池为基础，详细设计方案如图2所示。潮流模拟装置(图2中的4～8、18组成)通过控制主机远程控制台达PLC和伺服电机驱动器，继而控制伺服电机由链传动拖动小车平台，实现平台与水流相对运动来模拟潮流运动；潮流能捕获装置(图2中的1～3组成)采用水平轴、悬浮、无导流罩叶轮式结构，潮流能捕获装置即桨叶为被测对象，设计理论较为复杂，这里不再赘述；传动装置(图2中的9～15组成)采用链传动加上传统的齿轮增速机构；测控装置(图2中的12、16、17、19组成)主要实现系统转矩、转速等参数的测量、传输和显示及拖曳系统的控制。

考虑到叶轮的悬臂结构，系统运行时叶轮受到振动冲击，以及实验后期需要频繁地更换桨叶和调整桨叶安装角，叶轮悬臂采用可拆卸结构固定在具有缓冲作用的拖曳小车上。传动系统采用链传动把水下叶轮的低速大转矩机械能传到水上的传动部分，最终通过增速机构转换成高速低转矩的机械能传递给发电机，然后由功率电阻耗能和调节转矩。传动系统的主体及测控系统放在水面上，克服了传统结构的传动系统较高的密封等维护费用。同时为了补偿各传动部件的不对中，提高传动效率，水上转子-轴承支撑系统、转矩转速传感器、增速机和发电机均安装在一个支撑系统上[12]，各旋转部件之间采用具有位移和角度补偿功能的柔性联轴器连接。系统采用1∶4的平行轴式单级行星增速器。转矩传感器安装在增速器之前，增速器和发电机一并作为负载，以减少增速器和发电机自身功耗对转矩测量的影响，提高转矩测量精度[12]。

1-桨叶；2-轮毂；3-悬臂架；4-工字钢轨道；5-伺服电机；6-伺服驱动器；7-PLC；8-无线AP；9-拖曳链条；10-轴承座；11-链轮；12-扭矩传感器；13-支撑架；14-增速机；15-联轴器；16-发电机；17-测控系统控制箱；18-拖曳小车；19-服务器；20-传动链条；21-主轴；22-水池

图2 系统组成方案

2 测控装置设计

测控装置是试验系统最重要的组成部分，由测控装置硬件、无线传输网以及测控装置软件等组成，起到调节电机后级负载、控制潮流速度以及采集实验结果的作用。

(1) 测控装置硬件设计。测控装置硬件由动态扭矩传感器、发电机、多功能数据采集卡、功率电阻、无线AP、视频计算机、服务器等组成，原理如图3所示。

图3 测控装置原理图

转矩测量通过应变式转矩传感器实现，该传感器能同时测量传动轴的转速，因而能方便地求出叶轮的捕获功率。发电机选用的是低速水平轴三相永磁同步发电机，该发电机启动力矩小，额定输出功率1 kW，额定转速360 r/min，效率大于90%，工作寿命大于20 a。功率电阻作为发电机的负载，同时起到调节转矩的作用。机械功率表达式：

式中:P是桨叶输出功率(W)；T是传动系统输转矩(N·m)；n是传动系统输入转速(r/min)。

由上式可知，实际获得功率可由转矩和转速求出，系统的转矩可通过改变接入电路功率电阻的阻值调节。可变电阻由多个不同阻值的电阻串联在一起，每个电阻由一个继电器控制，继电器通过多功能数据采集卡与总服务器相连，实现多种阻值组合。视频计算机对水下高速摄像相机采集的视频进行存储等预处理，数据采集卡采集到的转矩、转速等参数通过无线AP传给远端服务器。测控装置实物如图4所示。

图4 测控装置实物图

(2) 无线传输网。无线传输系统主体由基于airMAX[13]技术的无线AP组成的无线网络，与服务器相连的AP为全向天线Rocket M5，作为数据接收和命令发送主基站，与潮流模拟系统PLC网口相连的AP和测控系统硬件部分的AP分别是定向扇形天线NanoStation LOCO M5和Bullet M5，它们作为数据发送和命令接受端。

(3) 测控装置软件设计。本实验系统控制室服务器采用普通PC，软件用LabVIEW2011设计完成。主要实现对潮流模拟系统拖曳小车速度的控制和模拟小车的动态显示，以及对发电机负载的调节，各种实验数据的采集、保存、回读、实时显示等功能。系统软件界面如图5所示。

服务器通过LabVIEW自带的OPC模块实现与带网络接口的PLC实时通讯。上位机服务器通过改变PLC的输入脉冲频率来改变拖曳电机的运行速度,通过电机的编码器把小车的实时位置传回上位机，在软件界面上显示小车的动态位置，以便控制小车。

LabVIEW程序通过无线AP与下位机具有网络接口的多功能数据采集卡连接，上位机服务器控制程序对电机的负载(功率电阻)进行调节，即控制多功能数据采集卡的数字输出DO，实现负载继电器的通断。转矩转速等传感器采集的数据也通过数据采集卡传回上位机，在软件界面显示。水下摄像机采集的视频通过调用Windows Media Play ActiveX控件实现在软件界面的显示。

图5 测控软件界面

3 实验系统搭建和功能

(1) 实验系统搭建。完成总体设计方案论证、详细设计方案后，开始加工和选购各零部件。数据采集卡采用美国“MCC”公司具有网络接口的E-1608多功能数据采集卡；扭矩传感器采用瑞士Kistler公司的4520A500应变式扭矩传感器，可以同时测量转速；无线AP选用低功耗、吞吐量100 Mb/s和传输距离10 km[13]的美国UBNT公司产品。实物图如图6所示。

图6 整个测试系统实物图

(2) 实验系统功能。综合实验系统可以进行如下实验：①模拟不同速度的潮流，最高达2 m/s； ②对不同桨叶的捕能效率、输出功率、推力特性、转矩特性等多种水动力性能进行验证测试；③进行模拟潮流能发电的系统实验，并为后续的发电效率、传递效率等研究提供硬件支持。

4 实验测试

潮流能桨叶能量捕获实验综合测试系统通过模拟时变的真实海况，测试潮流能桨叶在整个发电周期的捕能总功率，综合评价分析不同桨叶、不同潮流流速下的水动力性能。这里选择了两种不同的叶片，通过对比实验，说明实验系统的测试方法和评价体系。

(1) 桨叶选择。为验证整个实验系统的工作性能，利用Wilson方法[14-15]分别根据不同设计流速设计了两种水平轴潮流能桨叶。基本设计参数为：设计流速v为1.3,1.5 m/s，额定功率P=1.0 kW，叶轮直径D=1.5 m，轮毂直径Dhub=0.3 m，桨叶数B=3个，桨叶翼型NACA6412。分别计算桨叶弦长和扭角分布并经过实体造型和加工，得到的桨叶实物如图7所示。

(a) 1.3 m/s

(b) 1.5 m/s

图7 桨叶实物图

(2) 桨叶捕能效率测试。以0.1为间隔改变测试流速从0.8～1.7 m/s，同时调节负载电阻使捕能效率最大化。对不同流速下的捕能系数进行测试，结果如图8所示。

图8 捕能系数随测试流速变化曲线

图9 实测功率随测试流速变化曲线

使桨叶捕能效率尽可能大是桨叶设计的目标。从图8可以看出，两种桨叶的最大捕能系数约为Cpmax=0.4，测试流速为设计流速时捕能系数最大，而测试流速远离设计流速时捕能效率低，符合设计理论。由图9可以看出，实测功率随测试流速在达到设计流速前以3次方趋势增加；而超过设计流速后，桨叶失速，发电效率低，发电功率急剧降低，也符合设计理论。因此实验测试的方法表明了该桨叶的设计是有效的，用该实验系统能方便地测出了桨叶的实际捕能效率。除此之外，还可以对该桨叶的推力特性、转矩特性等水动力参数进行测试。

5 结 论

根据实地潮流能特点，潮流能发电桨叶设计现状，针对潮流能捕获桨叶水动力性能的测试，对包括潮流模拟装置、捕能装置、传动装置、测控装置等在内的整个实验系统进行了研制，进行了桨叶的综合性能实验测试，得到如下结论：

(1)所搭建的实验系统运行稳定，工作可靠，控制方便，可以模拟2 m/s以下潮流速度，叶轮转速0～150 r/min，测控系统额定功率2 kW，可进行多种桨叶的水动力性能测试；

(2)实验系统采用无线分布式测控技术，能够无线远程数据采集和控制，实现了设备的流程化管理和监控，使数据的统一存储和分析更加方便，提高了实验测试的有效性；

实验结果表明，利用该实验系统进行桨叶综合性能测试，得到的实测结果符合桨叶设计理论，其实测数据可有效地指导桨叶设计。

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Research on the Test System of the Performance of Tidal Energy Blade

HUANGFang-pinga，CHENHong-bob，ZHANGLia，LINZuana

(a. Ningbo Institute of Technology, Ningbo 315100, China; b. School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The performance evaluation of the blade capturing tidal energy is always directly tested in offshore field. the method wastes time and labors, and the research based on the pool experimental system is less. On the basis of wide research on the blade capturing tidal energy, this paper designed an experimental test system which can be used to test the blade that can capture 2 kW power flow. It was mainly composed of the power flow simulation device, the tidal energy capture device, the driving device, and the measurement and control device. The experimental system could simulate the flow movement under the 2 m/s, and could be used to test the efficiency of the different flow field. Two kind blades were designed and manufactured based on different design flow rates, and the test data were analyzed. The test system was stable, reliable and easy to control. Compared with the experimental results, the accuracy of the experimental system was demonstrated.

tidal energy; experimental test system; blades; hydrodynamic performance

2015-08-27

国家海洋局海洋可再生能源专项资金项目(NBME2011CL02)；浙江省高等教育教学改革项目(jg2015216)；浙江省青年科学基金项目(LQ15E05009)；宁波市公益重大专项项目(2015C110015)；慈溪市重大公关项目(2013A11)

黄方平(1973-)，男，湖南双峰人，副教授，主要从事流体传动及海洋机电装备技术研究。

Tel.:13454703259;E-mail:hfp618@163.com

TK 730.7

A

1006-7167(2016)05-0063-04