潮流能捕获桨叶综合实验测试系统
2016-12-21 来源： 浙江大学 作者：黄方平 陈洪波 张利 林躜。
摘要：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。
关键词：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、利用方便等特点心1。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"?。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p。。。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p。?。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l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。
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l～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，水上转子一轴承支撑系统、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，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¨“。
1一桨叶；2一轮毂；3一悬臂架；4一T字钢轨道；5一伺服电机；6一伺服驱动器；7-Pl C；8一无线AP；9一拖曳链条；10一轴承座；1I一链轮；12一扭矩传感器；13一支撑架；14一增速机；15一联轴器；16一发电机；17一测控系统控制箱；18一拖曳小车；19一服务器；20一传动链条；21一主轴；22一水池
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。
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：
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人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。
(2)无线传输网。无线传输系统主体南基于airMAX‘1-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。
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