波浪數據采集與雙向振蕩波浪發電裝置仿真

金豁然李德堂呂 沁胡星辰魏 卓

（1.浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院 舟山316022； 2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室 舟山 316022）

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波浪數據采集與雙向振蕩波浪發電裝置仿真

金豁然1，2李德堂1，2呂 沁1，2胡星辰1，2魏 卓1，2

（1.浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院 舟山316022； 2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室 舟山 316022）

［摘 要］波浪發電裝置能量轉換效率是表征其性能的重要指標，而各轉換部分相關的數據均需要通過復雜、繁瑣和成本極高的傳統測試方式獲得。通過LabVIEW設計了一套波浪數據采集系統，利用虛擬儀器采集發電裝置所在水域的波浪數據。同時，基于AMEsim建立波浪振蕩發電裝置的仿真模型，通過給定模擬信號，仿真液壓系統中馬達的壓力、轉速和扭矩特性曲線。與傳統的實測數據進行對比分析，驗證了仿真的合理性，仿真結果可為波浪發電裝置設計的可行性和參數優化設計提供一定的參考。

［關鍵詞］LabVIEW；數據采集；波浪發電；AMEsim；轉換效率

李德堂（1965-），男，教授級高工，研究方向：海洋工程與海洋新能源開發。

呂 沁（1990-），男，碩士，研究方向：海洋工程水動力。

胡星辰（1989-），男，碩士，研究方向：海洋工程水動力。

魏 卓（1992-），男，碩士，研究方向：海洋工程與液壓。

引 言

隨著人類社會的不斷發展，不可再生資源越來越少，人們對新能源的迫切需求不言而喻。而海洋波浪能是一種儲存量大、清潔無污染的可再生資源，這就使人們把目光瞄準了海洋。為有效利用波浪能，緩解我國能源危機，前人設計出一些實用的波浪能發電裝置，而能量轉換效率則是能量利用的重要參數，也是衡量發電裝置設計是否合理的標志。衛林超、單長飛、李德堂［1］設計出一套雙向振蕩波浪發電裝置，并通過實驗證明了此裝置的能量轉換效率能達到12.17%，但測試過程十分繁瑣，操作過程復雜，需要花費大量的時間和財力，不利于實踐工作的進行。本文基于LabVIEW設計了一套實波采集系統，并通過AMEsim仿真即可獲得相關的數據，并且可為波浪發電裝置的優化設計提供依據。與傳統的測試方法相比，這種虛擬儀器測試技術與數字仿真相結合的方式，方便實用、自動化程度高、獲取數據成本低。傳統的測試儀器是由信號采集、信號處理和結果顯示三大硬件組成［2］，功能單一、作用有限、不夠靈活，特別是價格昂貴，儀器操作復雜而且測試精度相對較低。而以“軟件代替硬件”是虛擬儀器最為突出的特點，其測試系統中的信號處理和結果顯示部分的硬件可由軟件直接代替［3］，從而能夠節省成本，便于集中操作。AMEsim是法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析軟件，它為設計人員提供便捷的開發平臺，實現多科學交叉領域系統的數學建模，能在此基礎上設置參數進行仿真分析［4］。

1　雙向振蕩波浪發電裝置

雙向振蕩發電裝置結構示意圖如圖1所示，該裝置主要由浮筒、雙向作用液壓缸、閥件、液壓管路、儲能器、液壓馬達、發電機及燈泡（負載）等組成。其工作原理為：浮筒接受波浪的能量做垂向運動從而推動活塞上下移動，將浮筒機械能轉換為液壓能并儲存在儲能器中，儲能器經壓力控制系統調節后釋放穩定的液壓油，恒壓驅動液壓馬達發電。其中儲能器不僅可以將波浪的起伏能進行儲存，而且還能把下降過程中的波浪能儲存起來，然后穩定釋放，避免發生因過載而停機，增強發電機連續工作能力，提高整個系統的安全性和大浪下的發電能力，解決波浪能輸出不穩定不連續的關鍵難題。發電裝置的能量轉換流程如圖2所示，發電裝置原理圖如圖3所示。

圖1　結構示意圖

圖2　能量轉換流程圖

圖3　發電裝置原理圖

2　波浪數據采集

2.1采集裝置及方法

波浪的相關數據由高精度激光測波裝置來采集記錄，如圖4所示。該裝置主要包括：激光位移傳感器、DAQ數據采集機箱、滑竿、浮標和LabVIEW數據采集系統等。浮標是由泡沫材質制作而成，質量輕便，能很好地反應波浪的運動軌跡。發電裝置所在波況通過LabVIEW編程采集，經過處理后儲存到電腦硬盤中。

圖4　測浪裝置示意圖及現場測試

波浪具有很大的隨機性，不規則特點非常明顯，所以要對波浪數據進行處理。根據波浪的運動軌跡，將連續觀測得到的波高值由大到小的順序排列，對前N/3個大波求平均值得到的波高即為有義波高H1/3（有效波高），對應前N/3個波浪周期取平均值得到有效周期T［5］。有效波高的計算方法如式（1）所示。

式中：N為波的總個數；H為波高。

2.2波浪數據采集

2.2.1系統組成

基于LabVIEW的數據采集系統主要由硬件與軟件兩部分組成，其中包括傳感器、硬件驅動程序和LabVIEW數據采集VI等［3］。通過LabVIEW編寫的數據采集程序，會采集并保存MAX（配置管理軟件）對數據采集卡設置的參數，流程如圖5所示。

圖5　采集系統流程圖

2.2.2系統硬件

DAQbook為LERO公司出品的一款數據采集機箱，擁有多個數據采集接口，供各類傳感器連接，其使用USB數據線作為數據傳遞總線，只需一臺計算機便可完成所有的測試任務。

計算機外的DAQbook數據采集卡首先會獲取采集的數據，然后通過USB總線將數據傳遞給計算機，信號的顯示，數據的儲存、讀取和分析等功能會通過電子計算機實現。其中激光位移傳感器實物如圖6所示，具體參數如表1所示。

圖6　激光位移傳感器

表1　YF-YJ50激光位移傳感器的基本參數

2.2.3系統軟件

基于LabVIEW的數據采集系統的軟件部分一般是由驅動程序、驅動程序接口和虛擬儀器軟件構成，而虛擬儀器數據采集程序的設計是整個采集系統的核心［3］，也是系統的重要組成部分。LabVIEW編程又稱為“G語言”，使用者采用圖標與連線的方式，可以像畫電路板一樣編寫程序，非常形象、通俗易懂且易于操作［4］。文中設計了一套波浪振蕩發電裝置的波浪采集系統，其包括了系統登入界面、數據采集模塊、數據儲存模塊、數據讀取模塊和數據顯示界面。

設計良好的用戶登入界面會給人一種友好的感覺，本文編寫了一套精良的登錄界面。登錄系統程序框圖的設計如圖7所示，其中程序中使用了子VI。程序使用平鋪順序結構，其中每一個子程序框圖稱為一個“幀”，此結構能夠保證每個幀中的程序從左往右的順序逐一執行，防止系統運行時發生混亂。

圖7　登錄程序框圖

采集系統主要包括兩部分設計，即虛擬儀器前面板設計和程序框圖設計。數據的儲存是測試系統必需具備的功能，可供以后查看和分析，相當重要。系統可將需要采集的數據保存在指定的文件中，并儲存在電腦硬盤里，以免數據丟失，程序框圖設計如圖8所示。

圖8　數據采集程序框圖

整個采集系統的用戶界面如圖9所示。界面中，各個板塊分類合理且排列整齊、簡潔、美觀，方便集中操作和進行數據分析。

2.3數據分析

波浪采集系統會將采集到的波浪數據保存到指定文件中，數據結果如下頁表2所示。

圖9　用戶操作界面

表2　實測波浪數據

由表2可知，波況：水深為2.9 m，測量波數為120個。有義波高為0.3 m，周期為3.4 s，波形可近似為正弦波。

3　仿真分析

3.1建模與參數設置

AMEsim有4個工作模式，用戶可以搭建草圖，修改元件子模型，設置子模型的參數，進行仿真。基于AMEsim建立的雙向振動波浪發電裝置的模型如圖10所示。

仿真回路中從左至右的兩個三位四通電磁閥分別標記為閥1、閥2，對應的分段線性信號源和儲能器分別標記為信號1、信號2和儲能器1、儲能器2。

在建立系統模型后，進入Submodel mode，為系統每一個元件分配一個數學模型，這里使用Primier submodel為各個元件選擇子模型。

系統中各元件的參數設置十分關鍵，直接影響到整個系統的正確性和穩定程度。在Parameter mode下設置系統元件的參數：根據采集到的波浪數據，以及發電裝置各元件的類型設置參數如表3所示，其中正弦信號源用于模擬正弦波，參數設置依據源于上述波浪采集系統采集到相關數據。

圖10　AMEsim仿真回路

表3　系統仿真參數設置

在Simulation mode下對系統進行仿真分析，仿真時間設置為10 s，通信間隔設置為0.001 s，運行仿真。

3.2仿真結果分析

3.2.1研究對象

對于波浪發電裝置，我們最為關注發電機的運行性能，而發電機直接由液壓馬達帶動旋轉，所以對馬達性能的分析尤為最要。液壓馬達輸出量的大小和穩定程度，將直接影響到發電機的安全性和可持續性，這里對液壓馬達的性能進行仿真分析。

3.2.2液壓馬達仿真分析

在上述給定模型信號和液壓元件參數設置條件下，對液壓馬達的動態響應進行分析。

由圖11-圖13分析得：在前5 s內，由儲能器1釋放液壓油，后5 s是由儲能器2提供，2個儲能器交替工作，為液壓馬達提供可續、穩定的液壓油，推動液壓馬達持續平穩旋轉，從而帶動發電機穩定運作。其中，2個儲能器儲存的液壓能均是由波浪能轉換獲得。在啟動階段和儲能器交替工作瞬間，馬達的各項性能參數都會出現較大的波動，但持續時間較短，很快就會達到一個動態平衡，對馬達性能的影響可以忽略不計。由圖中可以看出：液壓馬達的進口壓力大致在2.5 MPa，扭矩和轉速分別保持在58 Nm和65 r/min附近波動。

圖11　液壓馬達進口壓力

圖12　壓馬達輸出扭矩

圖13　液壓馬達輸出轉速

3.2.3仿真與試驗結果分析

試驗測試數據如圖14所示。

圖14 試驗數據

圖14中給出試驗測得的多項數據，其中系統的壓力基本穩定在2 MPa，與仿真結果2.5 MPa出現一定的偏差，這是因為在仿真過程中未考慮浮筒的取能效率，且將測得的波浪數據，轉換成正弦波直接作用到油缸上，所以仿真結果與實測結果出現了一定的誤差，在允許范圍內認為對波浪發電裝置的仿真結果較為合理。

4　結 論

利用LabVIEW編程對雙向振動波浪發電裝置所在水域進行波浪數據采集，基于AMEsim軟件對發電裝置液壓系統進行仿真分析，得出以下結論：

（1）LabVIEW具有強大的數據采集功能，通過合理的編程，僅使用一臺電腦、一個數據采集機箱和一個傳感器就能夠對雙向振蕩波浪發電裝置所在水域進行數據采集，并儲存在電腦硬盤中，供以后處理分析。

（2）使用AMESim軟件能夠有效的仿真波浪發電液壓系統，并且能夠直觀反應系統的動態特性。只要參數設置合理，液壓系統馬達輸出的扭矩、轉速都會處于穩定狀態，系統就會運行安全平穩，對波浪發電裝置的優化設計具有一定的參考價值。

（3）通過仿真和試驗結果進行對比，驗證了仿真的合理性。同時，仿真得到的數據可為波浪發電裝置設計的可行性提供依據。

［參考文獻］

［1］ 林衛超，單長飛，李德堂.新型發電裝置的模型設計及實驗研究［J］.船舶工程，2013（4）：118-121.

［2］ 李揚，李曉明.基于LabVIEW數據采集的實現［J］.微計算機應用，2003（1）：38-41.

［3］ 向科峰.基于LabVIEW的數據采集系統設計與實現［J］.機械管理開發，2011（4）：191-192.

［4］ 梁全，蘇齊瑩.液壓系統AMEsim計算機仿真指南［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［5］ 曾一菲.海洋工程環境［M］.上海：上海交通大學出版社，2007.

Wave data acquisition and simulation for two-way wave power generating device

JIN Huo-ran1,2LI De-tang1,2LQin1,2HU Xing-chen1,2WEI Zhuo1,2
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China; 2. Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province, Zhoushan 316022, China)

Abstract:The energy conversion efficiency is a crucial index indicating the performance of a wave power generation device. The relevant data of each conversion part is often acquired through the complex, cumbersome and high cost traditional test method. In this paper, a set of wave data acquisition system that is designed based on LabVIEW collects the wave data surrounding the power generation device by virtual instruments. In addition, the simulation model of wave power generation device is built by AMEsim. The motor pressure, rotating speed and torque characteristic curve are simulated through the given analog signals. It verifies the rationality of the simulation in comparison with the traditional experimental data. The simulation results can provide certain reference for the feasibility and parameter optimization design of wave power generation devices.

Keywords:LabVIEW; data acquisition; wave power generation; AMEsim; conversion efficiency

［中圖分類號］TH85+3

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）02-0066-07

［基金項目］國家海洋局可再生能源專項資金項目（ZJME2011BL04），上海交通大學海洋工程國家重點實驗室研究基金資助項目（1205），舟山市科技計劃項目（2014C41013）。

［收稿日期］2015-12-17；［修回日期］2015-12-29

［作者簡介］金豁然（1990-），男，碩士，研究方向：海洋工程與液壓。