小型海洋的波浪能液压发电装置

王典 翟娟 刘栩源 吴牧原 叶木森

摘  要：文章针对传统波浪能液压发电装置存在环境污染、安全性差等问题介绍了一种以水为介质的液压系统，有效解决传统油压存在问题。该装置再通过以STM32F103VET6单片机为核心的参数检测系统，从压力检测模块、温度检测模块、流量监测模块、转速检测模块四方面分别测量压力、海水温度、流量、转速，从而实时监测附近海洋区域的环境是否适合发电。本装置能耗低，效率高，应用前景广泛。

关键词：波浪能；单片机；监测；节能

中图分类号：TP368.1；TM312 文献标识码：A 文章编号：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

据统计，全球的石油储量只能够使用约45年，全球的天然气储量只能够使用约50年。传统能源使用过程中伴随着污染与开发费用越来越高的问题，人们不得不开始重视可再生能源的开发和利用。

世界上已经有快三十个国家和地区投入到对海洋波浪能发电装置的研究与开发当中，他们研究出的不同种类的波浪能发电装置和建成的发电站已经进入使用当中，数量总共高达几千座，也是具有八十万千瓦以上的总装机容量。在这种情况下，世界上海洋波浪能发电站的数量仍然以每年25%、发电总功率总和以每年10%的速度增长。目前在日本有超过1 500座波浪能发电装置投入了使用。20世纪80年代中期至今，已经建设了四座防波堤式和岸基固定式波浪能电站，它们的单机容量约为四十到一百二十五千瓦。英国也是波浪能开发利用良好的国家。英国的地理位置优越，波浪能资源较优良。从1970年起，波浪能发电研究成为英国新能源研究领域的一个重要方向。2012年，英国政府正式启动了一例新能源资助计划，资助约2 000万英镑的资金用来支持两个波浪能发电的试点研究项目。我国最初的波浪能学习及开发起始于20世纪60年代末，最早兴起于上海，同时我国将波浪能发电研究列入了国家重点科技攻关项目，目的就是为了开发可循环利用的资源，但是至今普及率较低。

虽然波浪能一定程度上缓解了环境问题，但是如今波浪能发电装置效率低，维修费用高，容易被海水侵蚀，后期的维修不易，工程性低。本文中的装置维修费用相对减少，采用水资源清洁廉价，材料成本降低，效率提高。

1  波浪能液压发电装置的总体设计

本文主要设计能够在小型海域漂浮的波浪能浮标供电装置。其主要为对能量的转换，通过液压波浪能更加充分利用，提高能量使用效率，确保本装置能够维持海上装置的部分电能。

本系统同时采用STM32单片机为核心进行控制，结合运用了PCM300H型压力传感器、Pt100温度传感器、LWGY涡轮流量传感器、霍尔效应传感器A3144、液压缸、液压马达、储能系统等模块，使用C语言编写控制程序，实现捕获波浪能后，用波浪能驱动液压缸运动，再将其转化为马达运转的能量，最后用其催动发电机发电，产生电能。使用海洋的波浪能作为能源比较传统的液压系统，海洋水资源分布广泛，携带方便，不会需要较高费用。天然水干净优质，这也使该装置的维护变得方便。以水为发电资源，其安全性也较高，不会造成人身危害。该系统的总体设计图如图1所示。

2  液压系统模块

2.1  系统构成

该系统由动力原件及系统中的天然水，执行元件及液压马达和液压缸，控制元件各种液压阀，管路及蓄能系统构成。

其中，动力系統使用的动力不再是液压油，而是天然水。与传统的液压油相比，水的储备量充足，储存方便，不会造成污染。水的杂质少，阻力小，造成的压力损失相较于油而言，所带来的工作压力减小。执行元件由液压马达和液压缸构成。其主要将水源所形成的压力转变为输出的机械能。机械能带动发电机发电，最后由储能系统储存电能。该液压系统的原理图如图2所示。

2.2  元件特点

在液压系统工作时，会产生摩擦，随之会产生大量热量，会导致系统损坏，把液压油涂在系统表面能起到良好的润滑作用。液压油在一定程度上可以保护系统不被腐蚀。系统在运作时，零件会产生一定的磨损，液压油可以带走这些磨损。

虽然液压油有这一系列优点，但是相比以水做介质，仍然有很多不足。水的优点如下：首先，以水为介质的液压技术有利于环保事业。水是最理想的环保使用资源。各国都在大力投资资金来开发以水为介质的液压技术。其次，用水来做介质可以大幅度提升安全性。液压油易燃，而水不可燃，耐高温。在设备持续工作温度较高时，水一定程度上可以为设备降温，可以直接除去冷却系统，代替易燃，价格高的液压油，使液压系统更加的精简，减轻自身重量。最后，水的分布非常广泛而且价格低廉，不用生产，保存，非常适用于小型海域。

3  液压系统参数监测设计

3.1  压力检测模块

本装置选择的压力传感器为PCM300H型压力传感器。该装置由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成，通过压力敏感元件和信号原件实现对液压系统压力的检测。PCM300H型压力传感器的测量范围为0～16 MPa。该传感器内部的高精度电路可以高效率地处理输出信号将其转换为电信号。输出信号的范围为4～20 mA电流。压力传感器电路图如图3所示。

PCM300H型压力传感器由不锈钢材料制成，具备体积小、质量轻、密封性好、抗震等优点。该压力传感器在小型海域中测量压强，通过装置中的应变电阻形变，产生阻值变化，通过内部电路处理，转换为电流。

3.2  温度检测模块

该装置选用的温度检测装置为Pt100温度传感器。该装置是一种将温度转换为电信号的装置。传感器的变送器通常由传感器和信号转换器两部分组成。信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成。传感器主要采用热电阻作为其感应元件。信号转换器则由测量单元、信号处理单元两部分构成。

该传感器的温度采集范围测量范围大，在-200～+850 ℃之间。Pt100温度传感器作为测温元件，位于不锈钢壳体内，测量水介质温度变化。在海水中感受到温度变化时，热电阻便会产生电阻效应，经过电路转换之后输出电流，收集数据。温度传感器电路图如图4所示。

3.3  流量检测模块

本装置采用的是LWGY涡轮流量传感器。该传感器是一种能够测量精密流量的机器表，其结构主要由仪表壳体、导流器、叶轮（涡轮）、轴承和信号检测放大器等组成。该装置能够通过水流的流量和总量精确测量。在实验中，在水流通过时与叶轮叶片形成一定的角时，叶片再形成旋转，最终达到稳定，使转速与流速形成平衡状态。叶片具有导磁性，可以在磁场中旋转，从而切割磁感线，再周期性的改变线圈的磁通量，形成电流信号。

该仪器无零点漂移，抗干扰能力强，精准度可以达到±1% R、±0.5% R。其重复性良好，可以在校准之后得到极高的精确度。该仪器结构简单，轻巧，反应速度灵敏，方便维护，适合用于小型海域当中。LWGY涡轮流量传感器电路图如图5所示。

3.4  转速检测模块

该装置选用的转速检测模块是霍尔效应传感器A3144。该装置的工作温度范围大，其温度范围可以达到-40～150 ℃。该装置由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出级构成。其结构轻巧简答，开始时不会形成火花，体积小，灵敏度高，使用寿命长。

实验时，转轴上安装的磁铁在液压马达工作时，被转轴带动其一起转动。传感器在检测磁场时，可以感应到一个脉冲信号，通过此脉冲信号，可以再通过单片机AD转换测量出转速。霍尔效应传感器电路图如图6所示。

3.5  单片机模块

该装置设计以STM32F103VET6单片机为核心。STM32

F103VET6单片机拥有32个微控制器单元，4个16位计时器，3个12位模拟数字转换器，两个PWM计时器和众多IO口，可实现许多功能。STM32F103VET6单片机引脚图如图7所示。

该单片机内含18个复用通道，可实现单次，多次扫描。其内部配备丰富装置，并且能够外设丰富的资源。该芯片价格低廉，效率高，能耗低，功能多，使用价值高并且使用简单。

4  系统软件模块

本系统软件模块采用Keil软件编写调试，单片机开发。程序包括将液压系统放入海域中发电时检测周围环境，通过LCD1602顯示收集液压数据，温度数据和水流量，将收集数据转化为电流信号，实时监测是否过载。如果过载，LED指示灯亮蜂鸣器发声报警，停止数据收集。系统流程图如图8所示。

5  试验检测与分析

首先，将该STM32单片机配置完整。

该装置实物图如图9所示。

先检测检测压力模块，压力传感器为PCM300H型压力传感器。该装置在水中受到压力之后，等待一段时间，启动单片机。海水中的压力传感器检测到压力之后，其中的敏感元件直接感受变化，变换元件将敏感元件感受的变化输出转化为4～20 mA电流，最后显示为数码管数值。在温度测试时，同样在装置放入水中之后，等待一段时间，再使用单片机检测温度，再记录数据。该装置测试时，运行良好，测量准确。使用八段数码管显示，无杂乱阴影，测试结果，如图10所示。

在温度检测中，温度检测装置检测海水温度正常，结果如图11所示。

表1为从2022年7月15日起，连续八天每天15：00间的实验数据。在实验时，如果实时数据超过系统界限，就会立刻响起警报。实验结论表明，该液压装置能有效检测周围环境，响应速度快。

6  结  论

本文设计一种新型的以天然水为介质的液压系统。该系统以液压系统发电，再通过以STM32F103VET6单片机为核心的参数检测系统检测温度、压力、流量、转速。其保证了工作的可靠性、安全性、便利性，是水资源利用的新思路。经实验表明，该液压装置能够在小型海域良好运行，并且收集数据精准度高，反应迅速，可以在小型海域中有效地收集波浪能。

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作者简介：王典（2001—），男，汉族，江苏盐城人，本科在读，研究方向：控制理论与控制系统；通讯作者：翟娟（1990—），女，汉族，江苏扬州人，讲师，硕士，研究方向：控制理论与控制系统。