小型海洋的波浪能液壓發電裝置

王典 翟娟 劉栩源 吳牧原 葉木森

摘? 要：文章針對傳統波浪能液壓發電裝置存在環境污染、安全性差等問題介紹了一種以水為介質的液壓系統，有效解決傳統油壓存在問題。該裝置再通過以STM32F103VET6單片機為核心的參數檢測系統，從壓力檢測模塊、溫度檢測模塊、流量監測模塊、轉速檢測模塊四方面分別測量壓力、海水溫度、流量、轉速，從而實時監測附近海洋區域的環境是否適合發電。本裝置能耗低，效率高，應用前景廣泛。

關鍵詞：波浪能；單片機；監測；節能

中圖分類號：TP368.1；TM312 文獻標識碼：A 文章編號：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

據統計，全球的石油儲量只能夠使用約45年，全球的天然氣儲量只能夠使用約50年。傳統能源使用過程中伴隨著污染與開發費用越來越高的問題，人們不得不開始重視可再生能源的開發和利用。

世界上已經有快三十個國家和地區投入到對海洋波浪能發電裝置的研究與開發當中，他們研究出的不同種類的波浪能發電裝置和建成的發電站已經進入使用當中，數量總共高達幾千座，也是具有八十萬千瓦以上的總裝機容量。在這種情況下，世界上海洋波浪能發電站的數量仍然以每年25%、發電總功率總和以每年10%的速度增長。目前在日本有超過1 500座波浪能發電裝置投入了使用。20世紀80年代中期至今，已經建設了四座防波堤式和岸基固定式波浪能電站，它們的單機容量約為四十到一百二十五千瓦。英國也是波浪能開發利用良好的國家。英國的地理位置優越，波浪能資源較優良。從1970年起，波浪能發電研究成為英國新能源研究領域的一個重要方向。2012年，英國政府正式啟動了一例新能源資助計劃，資助約2 000萬英鎊的資金用來支持兩個波浪能發電的試點研究項目。我國最初的波浪能學習及開發起始于20世紀60年代末，最早興起于上海，同時我國將波浪能發電研究列入了國家重點科技攻關項目，目的就是為了開發可循環利用的資源，但是至今普及率較低。

雖然波浪能一定程度上緩解了環境問題，但是如今波浪能發電裝置效率低，維修費用高，容易被海水侵蝕，后期的維修不易，工程性低。本文中的裝置維修費用相對減少，采用水資源清潔廉價，材料成本降低，效率提高。

1? 波浪能液壓發電裝置的總體設計

本文主要設計能夠在小型海域漂浮的波浪能浮標供電裝置。其主要為對能量的轉換，通過液壓波浪能更加充分利用，提高能量使用效率，確保本裝置能夠維持海上裝置的部分電能。

本系統同時采用STM32單片機為核心進行控制，結合運用了PCM300H型壓力傳感器、Pt100溫度傳感器、LWGY渦輪流量傳感器、霍爾效應傳感器A3144、液壓缸、液壓馬達、儲能系統等模塊，使用C語言編寫控制程序，實現捕獲波浪能后，用波浪能驅動液壓缸運動，再將其轉化為馬達運轉的能量，最后用其催動發電機發電，產生電能。使用海洋的波浪能作為能源比較傳統的液壓系統，海洋水資源分布廣泛，攜帶方便，不會需要較高費用。天然水干凈優質，這也使該裝置的維護變得方便。以水為發電資源，其安全性也較高，不會造成人身危害。該系統的總體設計圖如圖1所示。

2? 液壓系統模塊

2.1? 系統構成

該系統由動力原件及系統中的天然水，執行元件及液壓馬達和液壓缸，控制元件各種液壓閥，管路及蓄能系統構成。

其中，動力系統使用的動力不再是液壓油，而是天然水。與傳統的液壓油相比，水的儲備量充足，儲存方便，不會造成污染。水的雜質少，阻力小，造成的壓力損失相較于油而言，所帶來的工作壓力減小。執行元件由液壓馬達和液壓缸構成。其主要將水源所形成的壓力轉變為輸出的機械能。機械能帶動發電機發電，最后由儲能系統儲存電能。該液壓系統的原理圖如圖2所示。

2.2? 元件特點

在液壓系統工作時，會產生摩擦，隨之會產生大量熱量，會導致系統損壞，把液壓油涂在系統表面能起到良好的潤滑作用。液壓油在一定程度上可以保護系統不被腐蝕。系統在運作時，零件會產生一定的磨損，液壓油可以帶走這些磨損。

雖然液壓油有這一系列優點，但是相比以水做介質，仍然有很多不足。水的優點如下：首先，以水為介質的液壓技術有利于環保事業。水是最理想的環保使用資源。各國都在大力投資資金來開發以水為介質的液壓技術。其次，用水來做介質可以大幅度提升安全性。液壓油易燃，而水不可燃，耐高溫。在設備持續工作溫度較高時，水一定程度上可以為設備降溫，可以直接除去冷卻系統，代替易燃，價格高的液壓油，使液壓系統更加的精簡，減輕自身重量。最后，水的分布非常廣泛而且價格低廉，不用生產，保存，非常適用于小型海域。

3? 液壓系統參數監測設計

3.1? 壓力檢測模塊

本裝置選擇的壓力傳感器為PCM300H型壓力傳感器。該裝置由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成，通過壓力敏感元件和信號原件實現對液壓系統壓力的檢測。PCM300H型壓力傳感器的測量范圍為0～16 MPa。該傳感器內部的高精度電路可以高效率地處理輸出信號將其轉換為電信號。輸出信號的范圍為4～20 mA電流。壓力傳感器電路圖如圖3所示。

PCM300H型壓力傳感器由不銹鋼材料制成，具備體積小、質量輕、密封性好、抗震等優點。該壓力傳感器在小型海域中測量壓強，通過裝置中的應變電阻形變，產生阻值變化，通過內部電路處理，轉換為電流。

3.2? 溫度檢測模塊

該裝置選用的溫度檢測裝置為Pt100溫度傳感器。該裝置是一種將溫度轉換為電信號的裝置。傳感器的變送器通常由傳感器和信號轉換器兩部分組成。信號轉換器主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成。傳感器主要采用熱電阻作為其感應元件。信號轉換器則由測量單元、信號處理單元兩部分構成。

該傳感器的溫度采集范圍測量范圍大，在-200～+850 ℃之間。Pt100溫度傳感器作為測溫元件，位于不銹鋼殼體內，測量水介質溫度變化。在海水中感受到溫度變化時，熱電阻便會產生電阻效應，經過電路轉換之后輸出電流，收集數據。溫度傳感器電路圖如圖4所示。

3.3? 流量檢測模塊

本裝置采用的是LWGY渦輪流量傳感器。該傳感器是一種能夠測量精密流量的機器表，其結構主要由儀表殼體、導流器、葉輪（渦輪）、軸承和信號檢測放大器等組成。該裝置能夠通過水流的流量和總量精確測量。在實驗中，在水流通過時與葉輪葉片形成一定的角時，葉片再形成旋轉，最終達到穩定，使轉速與流速形成平衡狀態。葉片具有導磁性，可以在磁場中旋轉，從而切割磁感線，再周期性的改變線圈的磁通量，形成電流信號。

該儀器無零點漂移，抗干擾能力強，精準度可以達到±1% R、±0.5% R。其重復性良好，可以在校準之后得到極高的精確度。該儀器結構簡單，輕巧，反應速度靈敏，方便維護，適合用于小型海域當中。LWGY渦輪流量傳感器電路圖如圖5所示。

3.4? 轉速檢測模塊

該裝置選用的轉速檢測模塊是霍爾效應傳感器A3144。該裝置的工作溫度范圍大，其溫度范圍可以達到-40～150 ℃。該裝置由電壓調整電路、反相電源保護電路、霍爾元件、溫度補償電路、微信號放大器、施密特觸發器和OC門輸出級構成。其結構輕巧簡答，開始時不會形成火花，體積小，靈敏度高，使用壽命長。

實驗時，轉軸上安裝的磁鐵在液壓馬達工作時，被轉軸帶動其一起轉動。傳感器在檢測磁場時，可以感應到一個脈沖信號，通過此脈沖信號，可以再通過單片機AD轉換測量出轉速?；魻栃獋鞲衅麟娐穲D如圖6所示。

3.5? 單片機模塊

該裝置設計以STM32F103VET6單片機為核心。STM32

F103VET6單片機擁有32個微控制器單元，4個16位計時器，3個12位模擬數字轉換器，兩個PWM計時器和眾多IO口，可實現許多功能。STM32F103VET6單片機引腳圖如圖7所示。

該單片機內含18個復用通道，可實現單次，多次掃描。其內部配備豐富裝置，并且能夠外設豐富的資源。該芯片價格低廉，效率高，能耗低，功能多，使用價值高并且使用簡單。

4? 系統軟件模塊

本系統軟件模塊采用Keil軟件編寫調試，單片機開發。程序包括將液壓系統放入海域中發電時檢測周圍環境，通過LCD1602顯示收集液壓數據，溫度數據和水流量，將收集數據轉化為電流信號，實時監測是否過載。如果過載，LED指示燈亮蜂鳴器發聲報警，停止數據收集。系統流程圖如圖8所示。

5? 試驗檢測與分析

首先，將該STM32單片機配置完整。

該裝置實物圖如圖9所示。

先檢測檢測壓力模塊，壓力傳感器為PCM300H型壓力傳感器。該裝置在水中受到壓力之后，等待一段時間，啟動單片機。海水中的壓力傳感器檢測到壓力之后，其中的敏感元件直接感受變化，變換元件將敏感元件感受的變化輸出轉化為4～20 mA電流，最后顯示為數碼管數值。在溫度測試時，同樣在裝置放入水中之后，等待一段時間，再使用單片機檢測溫度，再記錄數據。該裝置測試時，運行良好，測量準確。使用八段數碼管顯示，無雜亂陰影，測試結果，如圖10所示。

在溫度檢測中，溫度檢測裝置檢測海水溫度正常，結果如圖11所示。

表1為從2022年7月15日起，連續八天每天15：00間的實驗數據。在實驗時，如果實時數據超過系統界限，就會立刻響起警報。實驗結論表明，該液壓裝置能有效檢測周圍環境，響應速度快。

6? 結? 論

本文設計一種新型的以天然水為介質的液壓系統。該系統以液壓系統發電，再通過以STM32F103VET6單片機為核心的參數檢測系統檢測溫度、壓力、流量、轉速。其保證了工作的可靠性、安全性、便利性，是水資源利用的新思路。經實驗表明，該液壓裝置能夠在小型海域良好運行，并且收集數據精準度高，反應迅速，可以在小型海域中有效地收集波浪能。

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作者簡介：王典（2001—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：控制理論與控制系統；通訊作者：翟娟（1990—），女，漢族，江蘇揚州人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制系統。