波浪数据采集与双向振荡波浪发电装置仿真

金豁然李德堂吕 沁胡星辰魏 卓

（1.浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院 舟山316022； 2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室 舟山 316022）



波浪数据采集与双向振荡波浪发电装置仿真

金豁然1，2李德堂1，2吕 沁1，2胡星辰1，2魏 卓1，2

（1.浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院 舟山316022； 2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室 舟山 316022）

［摘 要］波浪发电装置能量转换效率是表征其性能的重要指标，而各转换部分相关的数据均需要通过复杂、繁琐和成本极高的传统测试方式获得。通过LabVIEW设计了一套波浪数据采集系统，利用虚拟仪器采集发电装置所在水域的波浪数据。同时，基于AMEsim建立波浪振荡发电装置的仿真模型，通过给定模拟信号，仿真液压系统中马达的压力、转速和扭矩特性曲线。与传统的实测数据进行对比分析，验证了仿真的合理性，仿真结果可为波浪发电装置设计的可行性和参数优化设计提供一定的参考。

［关键词］LabVIEW；数据采集；波浪发电；AMEsim；转换效率

李德堂（1965-），男，教授级高工，研究方向：海洋工程与海洋新能源开发。

吕 沁（1990-），男，硕士，研究方向：海洋工程水动力。

胡星辰（1989-），男，硕士，研究方向：海洋工程水动力。

魏 卓（1992-），男，硕士，研究方向：海洋工程与液压。

引 言

随着人类社会的不断发展，不可再生资源越来越少，人们对新能源的迫切需求不言而喻。而海洋波浪能是一种储存量大、清洁无污染的可再生资源，这就使人们把目光瞄准了海洋。为有效利用波浪能，缓解我国能源危机，前人设计出一些实用的波浪能发电装置，而能量转换效率则是能量利用的重要参数，也是衡量发电装置设计是否合理的标志。卫林超、单长飞、李德堂［1］设计出一套双向振荡波浪发电装置，并通过实验证明了此装置的能量转换效率能达到12.17%，但测试过程十分繁琐，操作过程复杂，需要花费大量的时间和财力，不利于实践工作的进行。本文基于LabVIEW设计了一套实波采集系统，并通过AMEsim仿真即可获得相关的数据，并且可为波浪发电装置的优化设计提供依据。与传统的测试方法相比，这种虚拟仪器测试技术与数字仿真相结合的方式，方便实用、自动化程度高、获取数据成本低。传统的测试仪器是由信号采集、信号处理和结果显示三大硬件组成［2］，功能单一、作用有限、不够灵活，特别是价格昂贵，仪器操作复杂而且测试精度相对较低。而以“软件代替硬件”是虚拟仪器最为突出的特点，其测试系统中的信号处理和结果显示部分的硬件可由软件直接代替［3］，从而能够节省成本，便于集中操作。AMEsim是法国IMAGINE公司于1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，它为设计人员提供便捷的开发平台，实现多科学交叉领域系统的数学建模，能在此基础上设置参数进行仿真分析［4］。

1　双向振荡波浪发电装置

双向振荡发电装置结构示意图如图1所示，该装置主要由浮筒、双向作用液压缸、阀件、液压管路、储能器、液压马达、发电机及灯泡（负载）等组成。其工作原理为：浮筒接受波浪的能量做垂向运动从而推动活塞上下移动，将浮筒机械能转换为液压能并储存在储能器中，储能器经压力控制系统调节后释放稳定的液压油，恒压驱动液压马达发电。其中储能器不仅可以将波浪的起伏能进行储存，而且还能把下降过程中的波浪能储存起来，然后稳定释放，避免发生因过载而停机，增强发电机连续工作能力，提高整个系统的安全性和大浪下的发电能力，解决波浪能输出不稳定不连续的关键难题。发电装置的能量转换流程如图2所示，发电装置原理图如图3所示。

图1　结构示意图

图2　能量转换流程图

图3　发电装置原理图

2　波浪数据采集

2.1采集装置及方法

波浪的相关数据由高精度激光测波装置来采集记录，如图4所示。该装置主要包括：激光位移传感器、DAQ数据采集机箱、滑竿、浮标和LabVIEW数据采集系统等。浮标是由泡沫材质制作而成，质量轻便，能很好地反应波浪的运动轨迹。发电装置所在波况通过LabVIEW编程采集，经过处理后储存到电脑硬盘中。

图4　测浪装置示意图及现场测试

波浪具有很大的随机性，不规则特点非常明显，所以要对波浪数据进行处理。根据波浪的运动轨迹，将连续观测得到的波高值由大到小的顺序排列，对前N/3个大波求平均值得到的波高即为有义波高H1/3（有效波高），对应前N/3个波浪周期取平均值得到有效周期T［5］。有效波高的计算方法如式（1）所示。

式中：N为波的总个数；H为波高。

2.2波浪数据采集

2.2.1系统组成

基于LabVIEW的数据采集系统主要由硬件与软件两部分组成，其中包括传感器、硬件驱动程序和LabVIEW数据采集VI等［3］。通过LabVIEW编写的数据采集程序，会采集并保存MAX（配置管理软件）对数据采集卡设置的参数，流程如图5所示。

图5　采集系统流程图

2.2.2系统硬件

DAQbook为LERO公司出品的一款数据采集机箱，拥有多个数据采集接口，供各类传感器连接，其使用USB数据线作为数据传递总线，只需一台计算机便可完成所有的测试任务。

计算机外的DAQbook数据采集卡首先会获取采集的数据，然后通过USB总线将数据传递给计算机，信号的显示，数据的储存、读取和分析等功能会通过电子计算机实现。其中激光位移传感器实物如图6所示，具体参数如表1所示。

图6　激光位移传感器

表1　YF-YJ50激光位移传感器的基本参数

2.2.3系统软件

基于LabVIEW的数据采集系统的软件部分一般是由驱动程序、驱动程序接口和虚拟仪器软件构成，而虚拟仪器数据采集程序的设计是整个采集系统的核心［3］，也是系统的重要组成部分。LabVIEW编程又称为“G语言”，使用者采用图标与连线的方式，可以像画电路板一样编写程序，非常形象、通俗易懂且易于操作［4］。文中设计了一套波浪振荡发电装置的波浪采集系统，其包括了系统登入界面、数据采集模块、数据储存模块、数据读取模块和数据显示界面。

设计良好的用户登入界面会给人一种友好的感觉，本文编写了一套精良的登录界面。登录系统程序框图的设计如图7所示，其中程序中使用了子VI。程序使用平铺顺序结构，其中每一个子程序框图称为一个“帧”，此结构能够保证每个帧中的程序从左往右的顺序逐一执行，防止系统运行时发生混乱。

图7　登录程序框图

采集系统主要包括两部分设计，即虚拟仪器前面板设计和程序框图设计。数据的储存是测试系统必需具备的功能，可供以后查看和分析，相当重要。系统可将需要采集的数据保存在指定的文件中，并储存在电脑硬盘里，以免数据丢失，程序框图设计如图8所示。

图8　数据采集程序框图

整个采集系统的用户界面如图9所示。界面中，各个板块分类合理且排列整齐、简洁、美观，方便集中操作和进行数据分析。

2.3数据分析

波浪采集系统会将采集到的波浪数据保存到指定文件中，数据结果如下页表2所示。

图9　用户操作界面

表2　实测波浪数据

由表2可知，波况：水深为2.9 m，测量波数为120个。有义波高为0.3 m，周期为3.4 s，波形可近似为正弦波。

3　仿真分析

3.1建模与参数设置

AMEsim有4个工作模式，用户可以搭建草图，修改元件子模型，设置子模型的参数，进行仿真。基于AMEsim建立的双向振动波浪发电装置的模型如图10所示。

仿真回路中从左至右的两个三位四通电磁阀分别标记为阀1、阀2，对应的分段线性信号源和储能器分别标记为信号1、信号2和储能器1、储能器2。

在建立系统模型后，进入Submodel mode，为系统每一个元件分配一个数学模型，这里使用Primier submodel为各个元件选择子模型。

系统中各元件的参数设置十分关键，直接影响到整个系统的正确性和稳定程度。在Parameter mode下设置系统元件的参数：根据采集到的波浪数据，以及发电装置各元件的类型设置参数如表3所示，其中正弦信号源用于模拟正弦波，参数设置依据源于上述波浪采集系统采集到相关数据。

图10　AMEsim仿真回路

表3　系统仿真参数设置

在Simulation mode下对系统进行仿真分析，仿真时间设置为10 s，通信间隔设置为0.001 s，运行仿真。

3.2仿真结果分析

3.2.1研究对象

对于波浪发电装置，我们最为关注发电机的运行性能，而发电机直接由液压马达带动旋转，所以对马达性能的分析尤为最要。液压马达输出量的大小和稳定程度，将直接影响到发电机的安全性和可持续性，这里对液压马达的性能进行仿真分析。

3.2.2液压马达仿真分析

在上述给定模型信号和液压元件参数设置条件下，对液压马达的动态响应进行分析。

由图11-图13分析得：在前5 s内，由储能器1释放液压油，后5 s是由储能器2提供，2个储能器交替工作，为液压马达提供可续、稳定的液压油，推动液压马达持续平稳旋转，从而带动发电机稳定运作。其中，2个储能器储存的液压能均是由波浪能转换获得。在启动阶段和储能器交替工作瞬间，马达的各项性能参数都会出现较大的波动，但持续时间较短，很快就会达到一个动态平衡，对马达性能的影响可以忽略不计。由图中可以看出：液压马达的进口压力大致在2.5 MPa，扭矩和转速分别保持在58 Nm和65 r/min附近波动。

图11　液压马达进口压力

图12　压马达输出扭矩

图13　液压马达输出转速

3.2.3仿真与试验结果分析

试验测试数据如图14所示。

图14 试验数据

图14中给出试验测得的多项数据，其中系统的压力基本稳定在2 MPa，与仿真结果2.5 MPa出现一定的偏差，这是因为在仿真过程中未考虑浮筒的取能效率，且将测得的波浪数据，转换成正弦波直接作用到油缸上，所以仿真结果与实测结果出现了一定的误差，在允许范围内认为对波浪发电装置的仿真结果较为合理。

4　结 论

利用LabVIEW编程对双向振动波浪发电装置所在水域进行波浪数据采集，基于AMEsim软件对发电装置液压系统进行仿真分析，得出以下结论：

（1）LabVIEW具有强大的数据采集功能，通过合理的编程，仅使用一台电脑、一个数据采集机箱和一个传感器就能够对双向振荡波浪发电装置所在水域进行数据采集，并储存在电脑硬盘中，供以后处理分析。

（2）使用AMESim软件能够有效的仿真波浪发电液压系统，并且能够直观反应系统的动态特性。只要参数设置合理，液压系统马达输出的扭矩、转速都会处于稳定状态，系统就会运行安全平稳，对波浪发电装置的优化设计具有一定的参考价值。

（3）通过仿真和试验结果进行对比，验证了仿真的合理性。同时，仿真得到的数据可为波浪发电装置设计的可行性提供依据。

［参考文献］

［1］ 林卫超，单长飞，李德堂.新型发电装置的模型设计及实验研究［J］.船舶工程，2013（4）：118-121.

［2］ 李扬，李晓明.基于LabVIEW数据采集的实现［J］.微计算机应用，2003（1）：38-41.

［3］ 向科峰.基于LabVIEW的数据采集系统设计与实现［J］.机械管理开发，2011（4）：191-192.

［4］ 梁全，苏齐莹.液压系统AMEsim计算机仿真指南［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［5］ 曾一菲.海洋工程环境［M］.上海：上海交通大学出版社，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

［中图分类号］TH85+3

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）02-0066-07

［基金项目］国家海洋局可再生能源专项资金项目（ZJME2011BL04），上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目（1205），舟山市科技计划项目（2014C41013）。

［收稿日期］2015-12-17；［修回日期］2015-12-29

［作者简介］金豁然（1990-），男，硕士，研究方向：海洋工程与液压。