基于直線電機(jī)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)綜述

張振 肖陽 諶瑾

（中船船舶重工集團(tuán)公司第712研究所，武漢430064）

日益增長的能源需求不斷消耗著有限的化石燃料，同時(shí)生成大量污染環(huán)境的廢棄物，引起溫室效應(yīng)等嚴(yán)重后果。因此，應(yīng)大力開發(fā)風(fēng)能、太陽能以及波浪能等可再生清潔能源。其中，波浪能的儲藏量極大，較太陽能與風(fēng)能更容易預(yù)報(bào)，對環(huán)境影響較小也更加靠近潛在用戶。波浪能作為一種分布范圍廣、蘊(yùn)藏量豐富的清潔可再生能源，受到了世界各國的重視，并逐漸出現(xiàn)了一些理論研究和實(shí)際應(yīng)用，取得了不少寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 波浪能發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運(yùn)動(dòng)周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能發(fā)電技術(shù)的目的，都是將海洋波浪的動(dòng)能，通過相關(guān)的中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為更加易于利用的電能。經(jīng)過世界各國的不懈努力，研究的重點(diǎn)集中于三種被公認(rèn)為具有商品化價(jià)值的裝置，包括振蕩水柱式裝置、振蕩浮子式和聚波水庫式裝置，已經(jīng)研制出了若干種利用波浪能發(fā)電的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜕虡I(yè)產(chǎn)品。如英國Ocean Power Delivery (OPD)有限公司研發(fā)的漂浮式Pelamis波能裝置，丹麥的Wave Dragon APS公司研發(fā)的 Wave Dragon波能裝置，荷蘭BV-AWS研發(fā)的 Archimedes Wave Swing(AWS)波浪裝置，以及澳大利亞Energetech公司的一種振蕩水柱型波能裝置都是其中較為成功的代表，幾種裝置的外形如圖1所示。這些都是當(dāng)前比較具有代表性的波浪能發(fā)電裝置，其發(fā)電原理和應(yīng)用場合有所不同，它們的一些技術(shù)特點(diǎn)見表1。

圖1 國外波浪能裝置

上述波浪能轉(zhuǎn)換裝置的原理都是采集波浪低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的能量，轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)換過程一般可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：第一個(gè)環(huán)節(jié)是采集波浪能量，第二個(gè)環(huán)節(jié)是傳遞能量，第三個(gè)環(huán)節(jié)是發(fā)電機(jī)發(fā)電。其中第二個(gè)環(huán)節(jié)是將低速低壓的波浪能轉(zhuǎn)化為高速高壓的機(jī)械能，這個(gè)環(huán)節(jié)一般通過液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或是低水頭的水輪機(jī)完成，在有些情況下還存在能量的遠(yuǎn)距離傳輸、穩(wěn)壓、穩(wěn)速和儲能過程，這個(gè)中間環(huán)節(jié)必然會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性以及能量損耗，降低系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和可靠性。此外，這些裝置的安裝要求海上施工的工程量較大，后期維護(hù)也存在一定的困難。

表1 不同類型波浪能裝置特點(diǎn)比較

為了克服現(xiàn)有波浪能轉(zhuǎn)換裝置的各項(xiàng)缺陷，直線發(fā)電機(jī)開始被應(yīng)用到轉(zhuǎn)換裝置中。此時(shí)，波浪的直線運(yùn)動(dòng)直接傳遞到發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件上，去掉了中間的能量傳遞環(huán)節(jié)。使用直線發(fā)電機(jī)的波浪能轉(zhuǎn)換裝置由兩級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成：一級是吸收波浪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，二級是將機(jī)械能直接通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，采用兩級裝化裝置，為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率、降低系統(tǒng)造價(jià)創(chuàng)造了有利條件。

2 基于直線電機(jī)的波浪能發(fā)電裝置

直線電機(jī)目前已經(jīng)大量應(yīng)用于工業(yè)、軍事、民用及其它各種直線運(yùn)動(dòng)的場合，在波浪能發(fā)電裝置中，直線發(fā)電機(jī)也將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2.1 新型波浪能發(fā)電系統(tǒng)

新型的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示，是一個(gè)典型的點(diǎn)吸收式波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng),它由彈簧、永磁體組、線圈、浮子和錨系組成。其中，直線發(fā)電機(jī)的定子部分是連接在錨系上的永磁體組，而動(dòng)子部分則是固定在浮子上的線圈，動(dòng)子在波浪的作用下發(fā)生相對于定子的直線運(yùn)動(dòng)，于是在定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。

圖2 新型波浪能發(fā)電裝置

這種類型的波浪能裝置使用直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，取消了中間的傳遞環(huán)節(jié)，簡化了系統(tǒng)，減小了損耗。由于其運(yùn)動(dòng)部件和水下部件較少，所以施工簡便，大大提高了整個(gè)裝置承受惡劣天氣的能力。此裝置相對于其它種類的波浪能轉(zhuǎn)換裝置的體型更小，在海面上對于景觀和海面航行的影響更小，因此適合安裝在靠近潛在用戶的區(qū)域，受環(huán)境的約束較小。

裝置頂部彈簧的采用一方面起到恢復(fù)力的作用，另一方面防止動(dòng)子與定子的相對運(yùn)動(dòng)幅度過大，以免造成動(dòng)子與定子接觸摩擦而損壞系統(tǒng)。此裝置中浮子的作用是最大程度上吸收波浪的動(dòng)能，采用了自適應(yīng)變阻尼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)波況下的最佳阻尼，使得系統(tǒng)吸收的波浪能達(dá)到最優(yōu)。通過設(shè)計(jì)浮體固有頻率和來波頻率一致，以及設(shè)計(jì)阻尼系統(tǒng)使頻率響應(yīng)寬度與我國可用波浪頻率一致的方式研制出了新型的浮子，并通過調(diào)整阻尼因素保證一定的頻率寬度來提高波能裝置的轉(zhuǎn)換效率，此波浪能發(fā)電裝置的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 波浪能發(fā)電裝置系統(tǒng)圖

2.2 新型波浪能發(fā)電系統(tǒng)中的直線電機(jī)

直線電機(jī)可以看作是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種演變，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后沿圓周展開，就得到一臺原始的直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級，圖4所示的直線電機(jī)僅在一邊安放初級，這樣的直線電機(jī)稱為單邊型直線電機(jī)。單邊型直線電機(jī)的初級與次級之間存在一個(gè)很大的法向吸力，影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，可以采取在次級兩側(cè)分別安裝初級的方法，從而使法向力相互抵消，這種結(jié)構(gòu)形式稱為雙邊型直線電機(jī)。

平板型雙邊直線發(fā)電機(jī)在功率較小的時(shí)候，與圓筒形直線電機(jī)相比體積與重量更小，結(jié)構(gòu)簡單，安裝更方便，又因?yàn)橛来胖本€發(fā)電機(jī)無需電流勵(lì)磁，不存在電刷和滑環(huán)裝置，無勵(lì)磁損耗，無電刷和滑環(huán)之間的摩擦和接觸電損耗，因此在新型波浪能發(fā)電系統(tǒng)中采用的是平板型雙邊直線發(fā)電機(jī)。

圖4 旋轉(zhuǎn)電機(jī)與直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

直線發(fā)電機(jī)包括運(yùn)動(dòng)部分和靜止部分，通常靜止部分為定子(初級)，運(yùn)動(dòng)部分為動(dòng)子(次級)。次級上的永磁體一般采用鐵氧體永磁材料或者是釹鐵硼永磁材料，安裝在鐵磁材料平板上?？梢圆捎玫陌惭b方式有兩種，一種是表面安裝，如圖5(a)所示；另一種是將永磁體埋置在極靴之間，如圖5(b)所示，圖5(c)是初級繞組空間示意圖。

可供選擇的永磁體有釹鐵硼和鐵氧體兩種，配合兩種安裝方式一共有四種方案。關(guān)注的主要參數(shù)是視在功率、效率、負(fù)載角和材料用量，要達(dá)到的目標(biāo)是高電磁效率和較少的材料用量。電磁效率包括磁滯損耗、渦流損耗和電阻損耗，而材料用量包含永磁體、電樞和電纜。此外，還需要一個(gè)較小的負(fù)載角，一個(gè)具有固定的低負(fù)載角的電機(jī)在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程中具有更好的性能，受變化的負(fù)載和頻率的影響也較小。

Oskar Danielsson等人在波浪能發(fā)電裝置的研究中以表2所示的直線發(fā)電機(jī)為參考，通過調(diào)整動(dòng)子的垂直長度來保持輸出功率、電壓和動(dòng)子寬度等參數(shù)恒定，然后考察各個(gè)方案中材料用量、效率、負(fù)載角等技術(shù)指標(biāo)，綜合分析后選擇最適合應(yīng)用于波浪能發(fā)電系統(tǒng)的直線發(fā)電機(jī)方案。

表2 直線發(fā)電機(jī)參考數(shù)據(jù)

四種發(fā)電機(jī)動(dòng)子方案的材料用量、效率和負(fù)載角的關(guān)系如表3所示，選取的是每種電機(jī)效率最高而材料使用量最低時(shí)候的數(shù)值。

釹鐵硼表面安裝和鐵氧體埋置式安裝這兩種方案的電纜用量和負(fù)載角較低，效率均為85%左右，都可以作為理想的選擇，但是，當(dāng)采用釹鐵硼材料的時(shí)候，發(fā)電機(jī)的動(dòng)子更輕，所以在波浪能發(fā)電裝置中更具有優(yōu)越性。

圖5

表3 不同方案發(fā)電機(jī)的參考指標(biāo)

釹鐵硼永磁的主要成分是Nd2Fe14B，是目前磁性最強(qiáng)的永磁材料。它的最大磁能積可達(dá) 400 kJ/m3或者更高，剩磁可達(dá)1.47 T，矯頑力最高可超過1000 kA/m，由于不含鈷而且釹在稀土中的含量是釤的十幾倍，釹鐵硼的價(jià)格比稀土鈷永磁材料的價(jià)格要低得多，而且釹鐵硼永磁體的力學(xué)性能好，易于進(jìn)行切割加工，因此，在直線發(fā)電機(jī)中選擇釹鐵硼永磁是有較大的優(yōu)勢的。

3 發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)結(jié)方案

在波浪能發(fā)電裝置中，每個(gè)發(fā)電機(jī)具有一個(gè)相對較低的設(shè)計(jì)輸入功率，采用的方案是將多個(gè)發(fā)電單元以一種陣列的方式聯(lián)結(jié)來獲得需要的電能輸出。與此同時(shí)，不規(guī)則的海浪運(yùn)動(dòng)會產(chǎn)生一系列的動(dòng)子頻率，而兩臺具有不同頻率的發(fā)電機(jī)是不能夠連接的。因此，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能必須經(jīng)過一個(gè)整流環(huán)節(jié)。若干個(gè)發(fā)電機(jī)可以在直流側(cè)聯(lián)接成一個(gè)發(fā)電機(jī)組，從而增大能量的輸出，由此看來，盡管目前主要的焦點(diǎn)都集中到了直線發(fā)電機(jī)本體的發(fā)展上，系統(tǒng)的問題仍然是不能忽略的。系統(tǒng)的四種聯(lián)接方案如圖6所示。

圖6

單獨(dú)的發(fā)電裝置可以看做一個(gè)基本單元，在系統(tǒng)方案1中，若干個(gè)基本單元在直流側(cè)連接，然后將此發(fā)電機(jī)組通過一條傳輸線連接到陸地。岸上的逆變器可以形成50 Hz或者60 Hz的交流電并可輸送到電網(wǎng)。

系統(tǒng)方案2中，虛線表示的變壓器可以考慮到電網(wǎng)電壓的變化。第二種系統(tǒng)方案與第一種非常類似，不同的是逆變器被移動(dòng)到了離岸的位置。在這種安裝方式中，逆變器可以被安裝在一個(gè)平臺或者是防水的容器中，放置在海床上，這樣會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，減小可行性，因?yàn)樵O(shè)備的維護(hù)對于天氣的依賴將會加強(qiáng)，系統(tǒng)方案2可以直接連接在電網(wǎng)上，也可以通過變壓器與電網(wǎng)相連。

在系統(tǒng)方案 3中的變壓器安裝在離岸的位置，電阻性的傳輸損耗I*IR相比系統(tǒng)方案2會更低，因?yàn)閭鬏旊妷焊叨娏鞲?。第四種也是最后一種系統(tǒng)方案包括一個(gè)高壓直流（HVDC）傳輸系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)更加復(fù)雜但傳輸損耗較低，安裝運(yùn)行時(shí)需要一個(gè)平臺或是一個(gè)防水的容器，這個(gè)系統(tǒng)方案兼顧了低損耗與復(fù)雜性需求。

在表4中，詳細(xì)分析了不同安裝方式下的系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

表4 系統(tǒng)方案分析

若是條件允許，為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)當(dāng)避免將受控部件安裝到海上，因此第四種系統(tǒng)方案的應(yīng)用受到了一定的限制，只適用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)連接點(diǎn)的大規(guī)模安裝。前兩種系統(tǒng)方案看起來比較類似，但是在第二個(gè)系統(tǒng)方案中，屬于受控部件的逆變器被放置到了海上。第二與第三種系統(tǒng)方案在某些情形下可以考慮，例如不可能將設(shè)備安裝在靠近電網(wǎng)連接點(diǎn)位置的情況，或是電能消費(fèi)地和設(shè)備安裝地在同一地點(diǎn)的情況。

綜合各個(gè)系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)方案1的結(jié)構(gòu)簡單，損耗與安裝費(fèi)用相對較低，所需要的海上施工的工程量也是最低，因此，這種安裝方式特別適合于潛在用戶靠近發(fā)電裝置的場合，在波浪能利用領(lǐng)域具有廣泛的適用性，具有較大的應(yīng)用潛力。海浪中蘊(yùn)藏的大量的清潔能源，在經(jīng)過合適的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，就能成為易于利用的可再生清潔能源。

4 展望

中國海岸大部分的年平均波浪功率密度（單位長度迎波面寬度上波浪的動(dòng)能和勢能的和）為2-7 kW/m，而西歐國家的波浪功率密度一般為10 kW/m以上，波浪周期也與我國不同。對于直線發(fā)電機(jī)，不同的波能密度和波浪周期決定了發(fā)電機(jī)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度的不同，因而線圈繞組內(nèi)磁通和能量輸出特性也不同。各個(gè)國家的研究重點(diǎn)是由各國的波能特性決定的，如西歐國家研究的重點(diǎn)是裝置的可靠性，而我國不但關(guān)注可靠性，對于裝置的轉(zhuǎn)換效率也是非常重視的。

因此，應(yīng)當(dāng)充分利用我國豐富的稀土資源，設(shè)計(jì)出適合我國波況的波浪能發(fā)電裝置，從而緩解我國沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的能源和環(huán)境壓力?？梢灶A(yù)見，永磁直線發(fā)電機(jī)在波浪能發(fā)電領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的發(fā)展前景。

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