張永良, 俞慧峰

(清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

中國海域的波高普遍較小、周期較短、能流密度較低[1-2]。這就更需要高效地開發(fā)和利用這些資源,避免資源浪費(fèi),確保波浪能資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展,保證回報(bào)的最大化。海洋波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)經(jīng)過20多年的快速發(fā)展,世界上眾多國家和地區(qū)的科學(xué)家已提出了300多種波力發(fā)電裝置和6 400多項(xiàng)波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)專利[3]。然而,如何高效地利用海洋波浪能和確保全生命周期內(nèi)裝置的可靠性和生存性問題至今尚未得到根本解決,這嚴(yán)重阻礙著波浪能利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[4-5]。

最近10年來,我國高度重視波浪能資源的利用和開發(fā)[6-8],我校也在不斷地加強(qiáng)這一領(lǐng)域的學(xué)科建設(shè),開設(shè)輔修學(xué)位課程,每年我校多個(gè)系的本科生學(xué)習(xí)海洋波浪能利用方面的知識和參加波浪能利用的創(chuàng)新大賽,波浪能的利用是發(fā)明家的樂園。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)束縛了學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識,使得學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力得不到挖掘和發(fā)揮。海洋波浪能利用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[9]能較好地讓學(xué)生認(rèn)識和掌握海洋波浪能的開發(fā)方法以及流體、結(jié)構(gòu)、機(jī)電3個(gè)一級學(xué)科交叉的知識。為了更好地培育學(xué)生的創(chuàng)新思維和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、提升具有開拓性思維和實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型的人才,開發(fā)一個(gè)具有功能更強(qiáng)的海洋波浪能利用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺顯得尤為必要和重要,特別是一個(gè)具有前沿技術(shù)的多俘能原理[10]的波力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺,以便激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新靈感和了解最前沿的科學(xué)技術(shù)。據(jù)了解,至今為止還沒有建立起一個(gè)多俘能原理的海洋波浪能利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,這是對之前所建立的海洋波浪能利用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[9]的進(jìn)一步發(fā)展。本文介紹首個(gè)多俘能原理的波力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺開發(fā)。下面對海洋波力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)、功能和特色進(jìn)行介紹和討論。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的開發(fā)

多俘能原理海洋波力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要包括1個(gè)新型波浪能采集裝置、1個(gè)電力輸出系統(tǒng)和1組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集單元。波浪能采集裝置放置于長、寬、高分別為40 m、2.5 m、1.5 m的波流水槽中(見圖1)。該裝置主要由2節(jié)鉸接的浮體、懸擺板、液壓活塞缸、系泊系統(tǒng)、水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。在波流水槽的一端設(shè)有造波機(jī),該造波機(jī)可造出各種規(guī)則波和非規(guī)則波,所造的波浪周期為0.3～3.0 s,波高為0～0.4 m；在波流水槽的另一端設(shè)有消浪設(shè)施,可消除入射波的波浪。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置照片

系泊系統(tǒng)中的浮球一端通過錨鏈連接到波浪水槽底部,而其另一端連接到鉸接浮體迎波浪的一端,浮球的作用是優(yōu)化波浪能采集裝置所受系泊力。2節(jié)浮體和一懸擺板鉸接在一起(見圖2、圖3),在波浪作用下可發(fā)生繞水平鉸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)。在鉸接處的上方設(shè)置一液壓缸,而液壓缸的活塞桿連接S型的測力計(jì),然后再和其缸底分別鉸接到前后浮體上的剛性支架上,另一液壓缸連接到后浮體和懸擺板上(見圖3)。在波浪的作用下,前后2節(jié)浮體以及后浮體和擺板間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng),使所安裝的液壓缸活塞沿其軸向發(fā)生相對位移,從而將波浪能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。此外,在2節(jié)浮體的內(nèi)部均設(shè)置了滑軌,滑軌上有一個(gè)載有配重的小車,小車前后各有一根彈簧連接到浮體前后端部,統(tǒng)稱配重振子(見圖3),配重質(zhì)量與彈簧剛度均可以改變,與傳統(tǒng)固定配重相比,其可以增強(qiáng)前后浮體的相對轉(zhuǎn)動(dòng)幅度,從而提高波浪能俘獲效率。

圖2 2浮體鉸接處的照片

圖3 滑軌上的配重振子和懸擺板

在液壓缸缸底連接一個(gè)三通管,三通管的一個(gè)開口通過進(jìn)水單向閥與進(jìn)水管相連,進(jìn)水管直接伸入波流水槽中的水面以下,三通管的另一個(gè)開口通過出水單向閥與管道水輪機(jī)相連。在波浪的作用下,2浮體繞水平鉸軸作周期性地相對轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)在鉸接處安裝的液壓缸活塞桿相對于缸體作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞桿抽離缸體方向時(shí),波流槽內(nèi)的水經(jīng)進(jìn)水管和進(jìn)水單向閥被吸入缸體內(nèi)；當(dāng)活塞桿做壓入缸體方向運(yùn)動(dòng)時(shí),壓出液壓缸內(nèi)所吸入的水體,管內(nèi)水流驅(qū)動(dòng)管道水輪機(jī)旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)波浪能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。

裝置中2節(jié)浮體的基本參數(shù)相同,浮體寬60 cm、高20 cm、長180 cm、吃水深10 cm。鉸接處布置的懸擺板長度20 cm、40 cm和60 cm,寬度為60 cm。鉸接的每一節(jié)浮體頂部設(shè)有窗口,便于在浮體內(nèi)調(diào)整振子的質(zhì)量和彈簧的剛度。浮體頂部的窗口是可視窗口,便于觀測浮體內(nèi)部振子的運(yùn)動(dòng)特性。2節(jié)浮體在鉸接的一端均安裝了剛性支架,分別與液壓缸的缸底和活塞桿端部鉸接。裝置中液壓缸缸體內(nèi)徑和外徑分別為2.0 cm和2.4 cm,活塞的有效行程20 cm。

電力輸出系統(tǒng)由發(fā)電部分(發(fā)電機(jī))與顯電部分(示波器與發(fā)光板)組成(見圖4)。發(fā)電部分是水輪機(jī)旋轉(zhuǎn),進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。顯電部分,發(fā)電機(jī)發(fā)出的電會通過電線輸出,輸出到發(fā)光板可以點(diǎn)亮發(fā)光板上的一系列二極管,發(fā)光板有多種形式,相互之間還可以進(jìn)行串并聯(lián),圖4中的發(fā)光板為新型波浪能采集裝置名稱“WAVE loong”,而輸出到示波器可以顯示發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓,進(jìn)而計(jì)算并輸出發(fā)電功率。

圖4 電力輸出系統(tǒng)的顯電部分

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集單元主要包括傾角傳感器、激光位移傳感器、拉壓力傳感器、浪高儀以及流速儀單元,如圖5所示,每個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集單元均由采集器與控制程序構(gòu)成。傾角傳感器單元在前后浮體表面各設(shè)置1個(gè),用于測量前后浮體各自的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,兩結(jié)果相減可得兩鉸接浮體的相對轉(zhuǎn)動(dòng)角度；激光位移傳感器單元在兩鉸接浮體內(nèi)部各設(shè)置1個(gè),用于監(jiān)測配重振子中小車的位移隨時(shí)間的變化過程；拉壓力傳感器單元設(shè)置于液壓缸的活塞桿軸上,用于測量活塞桿的軸向作用力隨時(shí)間的變化過程；浪高儀單元設(shè)置在水槽中,用于監(jiān)測造波機(jī)所造波浪的波高、周期特性,控制波浪條件；流速儀單元同樣放置在水槽中,用于監(jiān)測造流系統(tǒng)所造流的流速特性,控制流速的條件。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集單元

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的功能

海洋波力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺可根據(jù)我國4大海域波浪要素的實(shí)際情況,結(jié)合波流水槽的大小及其造波造流能力條件,可按一定縮尺來模擬實(shí)際的海況,從而量測各物理和幾何要素如何影響鉸接浮體的相對角位移、振子的位移、液壓缸活塞桿的拉壓力、輸出電壓和發(fā)電效率。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺主要有下面的特色功能。

(1) 分別改變波浪的波高和周期。通過傾角傳感器分別量測鉸接的2個(gè)浮體的角位移,從而分析波浪要素對鉸接浮體間相對角位移的影響規(guī)律；通過布置在活塞桿軸上的拉壓力傳感器來觀測活塞桿所受軸向力隨時(shí)間的變化過程,從而分析波浪要素對活塞作用力的影響規(guī)律；通過布置在浮體內(nèi)部的激光位移計(jì),來觀測振子的位移,來分析波浪要素對振子往復(fù)運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化規(guī)律；通過示波器來讀取電壓,從而分析電壓隨波浪要素的變化規(guī)律。

(2) 分別改變振子的質(zhì)量和彈簧的剛度。通過傾角傳感器、接壓力計(jì)、激光位移計(jì)和示波器分別觀測2個(gè)浮體間的相對角位移、活塞桿的軸力、振子的位移和輸出電壓,從而分析振子的質(zhì)量和彈簧的剛度對鉸接浮體間相對角位移、液壓缸軸向力、振子振動(dòng)響應(yīng)、發(fā)電功率的影響規(guī)律。

(3) 分別改變電路中的負(fù)載。通過傾角傳感器、接壓力計(jì)、激光位移計(jì)和示波器分別觀測2個(gè)浮體間的相對角位移、活塞桿的軸力、振子的位移和輸出電壓,從而分析電路負(fù)載對鉸接浮體間相對角位移、液壓缸軸向力、振子振動(dòng)響應(yīng)、發(fā)電功率的影響規(guī)律。

(4) 分別改變懸板的長度。通過傾角傳感器、接壓力計(jì)、激光位移計(jì)和示波器分別觀測2個(gè)浮體間的相對角位移、活塞桿的軸力、振子的位移和輸出電壓,從而分析懸板長度對鉸接浮體間相對角位移、液壓缸軸向力、振子振動(dòng)響應(yīng)、發(fā)電功率的影響規(guī)律。

(5) 分別改變水流流速。通過傾角傳感器、接壓力計(jì)、激光位移計(jì)和示波器分別觀測2個(gè)浮體間的相對角位移、活塞桿的軸力、振子的位移和輸出電壓,從而分析水流流速對鉸接浮體間相對角位移、液壓缸軸向力、振子振動(dòng)響應(yīng)、發(fā)電功率的影響規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的特色

多浮能原理海洋波力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺根據(jù)我國4大海域波浪條件,結(jié)合自身的硬件和軟件條件及專業(yè)特色,設(shè)置了海洋波浪能利用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺特色欄目。由于特色欄目中富有創(chuàng)新性的內(nèi)容,為了維護(hù)教師的知識產(chǎn)權(quán)權(quán)益,學(xué)生需進(jìn)行注冊之后,方可利用特色項(xiàng)目中的資源。

(1) 實(shí)驗(yàn)電子課件。及時(shí)把各波力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)課程的電子課件上傳到學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂,從而讓學(xué)生在課前下載進(jìn)行預(yù)習(xí),熟悉、理解和掌握實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容、原理和步驟,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量。

(2) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。我國的海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略,迫切需要我們培養(yǎng)出更多的具有創(chuàng)新型和復(fù)合型的人才,而實(shí)驗(yàn)教學(xué)恰恰是培養(yǎng)學(xué)生理論和實(shí)踐相結(jié)合的重要載體,也是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用各學(xué)科知識及提升創(chuàng)新和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)今世界科技日趨重視學(xué)科交叉,單一學(xué)科知識實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容已無法滿足21世紀(jì)培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合型人才目標(biāo)的需要,而創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力一定是在主動(dòng)地運(yùn)用多學(xué)科知識和技能的實(shí)踐過程中形成的。圍繞培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力所創(chuàng)設(shè)的波力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,具有較豐富的功能,從而根據(jù)學(xué)生的發(fā)散思維,可在該平臺上實(shí)施創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。采用學(xué)生自主設(shè)立的創(chuàng)新大賽實(shí)驗(yàn)課題和教師每年設(shè)立的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題相結(jié)合方法,提供學(xué)生自主探索、創(chuàng)新、綜合實(shí)踐鍛煉的機(jī)會。教師每年設(shè)立的SRT課題,在全校發(fā)布,便于各系學(xué)生自由申請組隊(duì),開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

(3) 多學(xué)科知識融合。要實(shí)現(xiàn)高效、可靠地進(jìn)行波力發(fā)電,還面臨著一些涉及流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電學(xué)學(xué)科交匯在一起的技術(shù)難題,迫切需要具有多學(xué)科知識并運(yùn)用多學(xué)科知識解決問題能力的人才。海洋波力發(fā)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生較好地觀察流-固-機(jī)-電耦合的相互作用機(jī)理,通過實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好理解和掌握流-固-機(jī)-電學(xué)科的知識,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用多學(xué)科知識來分析和解釋實(shí)驗(yàn)中所觀察到的各種物理現(xiàn)象,掌握多學(xué)科知識,提高運(yùn)用多學(xué)科知識解決實(shí)際問題的能力。

(4) 前沿技術(shù)探索。至今為止,波力發(fā)電技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,一個(gè)很重要的原因是效率較低、頻響寬度較小,為了解決好該問題,提出并建立了多俘能原理的新穎波浪能裝置的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺為學(xué)生進(jìn)行前沿技術(shù)探索提供了可能,并激發(fā)學(xué)生熱愛海洋波力發(fā)電,可充許學(xué)生在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上,提出技術(shù)改進(jìn)或發(fā)明更新穎裝置技術(shù),加深對開發(fā)新能源的認(rèn)知和探索熱情。

(5) 團(tuán)隊(duì)合作精神。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺上開展實(shí)驗(yàn),牽涉到多個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作,如操作造波和造流,觀測角位移、平移、拉壓力、電壓、波浪要素、水流要素等,要求多位學(xué)生通力合作開展實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語

我校為進(jìn)一步加強(qiáng)海洋工程學(xué)科的建設(shè),在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的波流水槽的基礎(chǔ)上,在國際上首次開發(fā)了具有5項(xiàng)功能的多俘能原理波力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該平臺根據(jù)我國4大海域的海況和結(jié)合學(xué)校自身的實(shí)際條件,設(shè)置了一些創(chuàng)新性的欄目,提供實(shí)踐創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,融合多學(xué)科知識,探索前沿科學(xué)技術(shù)和培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。多俘能原理波力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺是圍繞著培養(yǎng)創(chuàng)新型的復(fù)合型人才的目標(biāo)而建立的,提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培育了學(xué)生的創(chuàng)新思維和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。