多俘能原理波力发电实验教学平台的开发

张永良, 俞慧峰

(清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084)

中国海域的波高普遍较小、周期较短、能流密度较低[1-2]。这就更需要高效地开发和利用这些资源,避免资源浪费,确保波浪能资源开发的可持续发展,保证回报的最大化。海洋波浪能转换技术经过20多年的快速发展,世界上众多国家和地区的科学家已提出了300多种波力发电装置和6 400多项波浪能转换技术专利[3]。然而,如何高效地利用海洋波浪能和确保全生命周期内装置的可靠性和生存性问题至今尚未得到根本解决,这严重阻碍着波浪能利用的产业化发展[4-5]。

最近10年来,我国高度重视波浪能资源的利用和开发[6-8],我校也在不断地加强这一领域的学科建设,开设辅修学位课程,每年我校多个系的本科生学习海洋波浪能利用方面的知识和参加波浪能利用的创新大赛,波浪能的利用是发明家的乐园。传统的课堂教学束缚了学生创新思维和创新意识,使得学生的创新能力和实践能力得不到挖掘和发挥。海洋波浪能利用的实验教学平台[9]能较好地让学生认识和掌握海洋波浪能的开发方法以及流体、结构、机电3个一级学科交叉的知识。为了更好地培育学生的创新思维和提高学生的创新能力、提升具有开拓性思维和实验教学水平和培养高素质复合型的人才,开发一个具有功能更强的海洋波浪能利用的实验教学平台显得尤为必要和重要,特别是一个具有前沿技术的多俘能原理[10]的波力发电系统的实验平台,以便激发学生的创新灵感和了解最前沿的科学技术。据了解,至今为止还没有建立起一个多俘能原理的海洋波浪能利用实验教学平台,这是对之前所建立的海洋波浪能利用的实验教学平台[9]的进一步发展。本文介绍首个多俘能原理的波力发电实验教学平台开发。下面对海洋波力发电的实验教学平台的建设、功能和特色进行介绍和讨论。

1 实验教学平台的开发

多俘能原理海洋波力发电实验教学系统主要包括1个新型波浪能采集装置、1个电力输出系统和1组实时数据监测采集单元。波浪能采集装置放置于长、宽、高分别为40 m、2.5 m、1.5 m的波流水槽中(见图1)。该装置主要由2节铰接的浮体、悬摆板、液压活塞缸、系泊系统、水轮机和发电机组成。在波流水槽的一端设有造波机,该造波机可造出各种规则波和非规则波,所造的波浪周期为0.3～3.0 s,波高为0～0.4 m；在波流水槽的另一端设有消浪设施,可消除入射波的波浪。

图1 实验教学装置照片

系泊系统中的浮球一端通过锚链连接到波浪水槽底部,而其另一端连接到铰接浮体迎波浪的一端,浮球的作用是优化波浪能采集装置所受系泊力。2节浮体和一悬摆板铰接在一起(见图2、图3),在波浪作用下可发生绕水平铰发生相对转动。在铰接处的上方设置一液压缸,而液压缸的活塞杆连接S型的测力计,然后再和其缸底分别铰接到前后浮体上的刚性支架上,另一液压缸连接到后浮体和悬摆板上(见图3)。在波浪的作用下,前后2节浮体以及后浮体和摆板间发生相对转动,使所安装的液压缸活塞沿其轴向发生相对位移,从而将波浪能转换成机械能。此外,在2节浮体的内部均设置了滑轨,滑轨上有一个载有配重的小车,小车前后各有一根弹簧连接到浮体前后端部,统称配重振子(见图3),配重质量与弹簧刚度均可以改变,与传统固定配重相比,其可以增强前后浮体的相对转动幅度,从而提高波浪能俘获效率。

图2 2浮体铰接处的照片

图3 滑轨上的配重振子和悬摆板

在液压缸缸底连接一个三通管,三通管的一个开口通过进水单向阀与进水管相连,进水管直接伸入波流水槽中的水面以下,三通管的另一个开口通过出水单向阀与管道水轮机相连。在波浪的作用下,2浮体绕水平铰轴作周期性地相对转动,驱动在铰接处安装的液压缸活塞杆相对于缸体作往复直线运动。当活塞杆抽离缸体方向时,波流槽内的水经进水管和进水单向阀被吸入缸体内；当活塞杆做压入缸体方向运动时,压出液压缸内所吸入的水体,管内水流驱动管道水轮机旋转,从而实现波浪能转变成机械能。

装置中2节浮体的基本参数相同,浮体宽60 cm、高20 cm、长180 cm、吃水深10 cm。铰接处布置的悬摆板长度20 cm、40 cm和60 cm,宽度为60 cm。铰接的每一节浮体顶部设有窗口,便于在浮体内调整振子的质量和弹簧的刚度。浮体顶部的窗口是可视窗口,便于观测浮体内部振子的运动特性。2节浮体在铰接的一端均安装了刚性支架,分别与液压缸的缸底和活塞杆端部铰接。装置中液压缸缸体内径和外径分别为2.0 cm和2.4 cm,活塞的有效行程20 cm。

电力输出系统由发电部分(发电机)与显电部分(示波器与发光板)组成(见图4)。发电部分是水轮机旋转,进而带动发电机发电。显电部分,发电机发出的电会通过电线输出,输出到发光板可以点亮发光板上的一系列二极管,发光板有多种形式,相互之间还可以进行串并联,图4中的发光板为新型波浪能采集装置名称“WAVE loong”,而输出到示波器可以显示发电机的发电电压,进而计算并输出发电功率。

图4 电力输出系统的显电部分

实时数据监测采集单元主要包括倾角传感器、激光位移传感器、拉压力传感器、浪高仪以及流速仪单元,如图5所示,每个数据监测采集单元均由采集器与控制程序构成。倾角传感器单元在前后浮体表面各设置1个,用于测量前后浮体各自的转动角度,两结果相减可得两铰接浮体的相对转动角度；激光位移传感器单元在两铰接浮体内部各设置1个,用于监测配重振子中小车的位移随时间的变化过程；拉压力传感器单元设置于液压缸的活塞杆轴上,用于测量活塞杆的轴向作用力随时间的变化过程；浪高仪单元设置在水槽中,用于监测造波机所造波浪的波高、周期特性,控制波浪条件；流速仪单元同样放置在水槽中,用于监测造流系统所造流的流速特性,控制流速的条件。

图5 实时数据监测采集单元

2 实验教学平台的功能

海洋波力发电实验教学平台可根据我国4大海域波浪要素的实际情况,结合波流水槽的大小及其造波造流能力条件,可按一定缩尺来模拟实际的海况,从而量测各物理和几何要素如何影响铰接浮体的相对角位移、振子的位移、液压缸活塞杆的拉压力、输出电压和发电效率。实验教学平台主要有下面的特色功能。

(1) 分别改变波浪的波高和周期。通过倾角传感器分别量测铰接的2个浮体的角位移,从而分析波浪要素对铰接浮体间相对角位移的影响规律；通过布置在活塞杆轴上的拉压力传感器来观测活塞杆所受轴向力随时间的变化过程,从而分析波浪要素对活塞作用力的影响规律；通过布置在浮体内部的激光位移计,来观测振子的位移,来分析波浪要素对振子往复运动随时间变化规律；通过示波器来读取电压,从而分析电压随波浪要素的变化规律。

(2) 分别改变振子的质量和弹簧的刚度。通过倾角传感器、接压力计、激光位移计和示波器分别观测2个浮体间的相对角位移、活塞杆的轴力、振子的位移和输出电压,从而分析振子的质量和弹簧的刚度对铰接浮体间相对角位移、液压缸轴向力、振子振动响应、发电功率的影响规律。

(3) 分别改变电路中的负载。通过倾角传感器、接压力计、激光位移计和示波器分别观测2个浮体间的相对角位移、活塞杆的轴力、振子的位移和输出电压,从而分析电路负载对铰接浮体间相对角位移、液压缸轴向力、振子振动响应、发电功率的影响规律。

(4) 分别改变悬板的长度。通过倾角传感器、接压力计、激光位移计和示波器分别观测2个浮体间的相对角位移、活塞杆的轴力、振子的位移和输出电压,从而分析悬板长度对铰接浮体间相对角位移、液压缸轴向力、振子振动响应、发电功率的影响规律。

(5) 分别改变水流流速。通过倾角传感器、接压力计、激光位移计和示波器分别观测2个浮体间的相对角位移、活塞杆的轴力、振子的位移和输出电压,从而分析水流流速对铰接浮体间相对角位移、液压缸轴向力、振子振动响应、发电功率的影响规律。

3 实验教学平台的特色

多浮能原理海洋波力发电实验教学平台根据我国4大海域波浪条件,结合自身的硬件和软件条件及专业特色,设置了海洋波浪能利用的实验教学平台特色栏目。由于特色栏目中富有创新性的内容,为了维护教师的知识产权权益,学生需进行注册之后,方可利用特色项目中的资源。

(1) 实验电子课件。及时把各波力发电的实验课程的电子课件上传到学校的网络学堂,从而让学生在课前下载进行预习,熟悉、理解和掌握实验的目的、内容、原理和步骤,提高实验教学效率和质量。

(2) 实验教学内容。我国的海洋强国战略,迫切需要我们培养出更多的具有创新型和复合型的人才,而实验教学恰恰是培养学生理论和实践相结合的重要载体,也是培养学生综合应用各学科知识及提升创新和实践能力的重要环节。当今世界科技日趋重视学科交叉,单一学科知识实验教学内容已无法满足21世纪培养创新型复合型人才目标的需要,而创新思维、创新能力和实践能力一定是在主动地运用多学科知识和技能的实践过程中形成的。围绕培养学生的创新意识和实践能力所创设的波力发电实验教学平台,具有较丰富的功能,从而根据学生的发散思维,可在该平台上实施创新性的实验内容。采用学生自主设立的创新大赛实验课题和教师每年设立的开放性创新实验课题相结合方法,提供学生自主探索、创新、综合实践锻炼的机会。教师每年设立的SRT课题,在全校发布,便于各系学生自由申请组队,开展创新实验。

(3) 多学科知识融合。要实现高效、可靠地进行波力发电,还面临着一些涉及流体力学、结构动力学、机械学、电学学科交汇在一起的技术难题,迫切需要具有多学科知识并运用多学科知识解决问题能力的人才。海洋波力发电教学实验能让学生较好地观察流-固-机-电耦合的相互作用机理,通过实验能较好理解和掌握流-固-机-电学科的知识,培养学生综合应用多学科知识来分析和解释实验中所观察到的各种物理现象,掌握多学科知识,提高运用多学科知识解决实际问题的能力。

(4) 前沿技术探索。至今为止,波力发电技术还未实现商业化,一个很重要的原因是效率较低、频响宽度较小,为了解决好该问题,提出并建立了多俘能原理的新颖波浪能装置的实验教学平台。该实验教学平台为学生进行前沿技术探索提供了可能,并激发学生热爱海洋波力发电,可充许学生在现有装置的基础上,提出技术改进或发明更新颖装置技术,加深对开发新能源的认知和探索热情。

(5) 团队合作精神。该实验教学平台上开展实验,牵涉到多个方面的实验内容和实验操作,如操作造波和造流,观测角位移、平移、拉压力、电压、波浪要素、水流要素等,要求多位学生通力合作开展实验。

4 结语

我校为进一步加强海洋工程学科的建设,在计算机自动控制的波流水槽的基础上,在国际上首次开发了具有5项功能的多俘能原理波力发电的实验教学平台。该平台根据我国4大海域的海况和结合学校自身的实际条件,设置了一些创新性的栏目,提供实践创新性实验教学内容,融合多学科知识,探索前沿科学技术和培养团队合作精神。多俘能原理波力发电实验教学平台是围绕着培养创新型的复合型人才的目标而建立的,提升了实验教学水平,激发学生的学习兴趣，培育了学生的创新思维和提高学生的创新能力。