波浪能發(fā)電裝置發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張輝　王世明　李晴

【摘 要】本文在上海海洋大學(xué)研制的“浪流一體化發(fā)電裝置”的基礎(chǔ)上，對其發(fā)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，去掉了發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)的中間轉(zhuǎn)換裝置，滿足了海洋能直驅(qū)發(fā)電的形式，通過電機(jī)實(shí)驗(yàn)室性能測試驗(yàn)證了其可行性，提高了發(fā)電效率和可靠率，降低了維護(hù)成本，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

【關(guān)鍵詞】浪流一體化；發(fā)電裝置；發(fā)電機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；直驅(qū)發(fā)電

【Abstract】Based on the Shanghai Ocean University developed “wave flow generation integrated device” on its generator optimized design， eliminating the intermediate conversion generators and turbine means to meet the ocean energy power generation in the form of direct drive through motor performance testing laboratory to verify its feasibility， to improve the power generation efficiency and reliability rate， lower maintenance costs， can be applied to actual production.

【Key words】Wave flow integration； Power generating means； Generator； Optimization design； Direct drive power

0 前言

上海海洋大學(xué)研制的“浪流一體化發(fā)電裝置”同時可以捕獲波浪和海流的向前的推力，在接受到海洋能量之后產(chǎn)生慣性而發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)動；通過主軸帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電能。為海洋觀測、島礁生活、海洋養(yǎng)殖、海水淡化等提供穩(wěn)定的電能，并用于解決邊遠(yuǎn)海域的國防設(shè)施、部分電網(wǎng)未覆蓋的有居民海島、偏遠(yuǎn)無居民海島生態(tài)建設(shè)中的供電需求。本文以此發(fā)電裝置為研究對象，對其水輪機(jī)匹配的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)的海洋能需要經(jīng)過三個部分轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)，沒有齒輪箱，減少了傳動損耗，采用發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定控制器，實(shí)現(xiàn)了浪輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，提高了發(fā)電效率，降低了運(yùn)行維護(hù)成本。尤其是在低轉(zhuǎn)速環(huán)境下，效果更加顯著。

1 研究對象與方法

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)是滿足海洋能直驅(qū)發(fā)電形式的。然而，齒輪箱的存在卻成為制約海洋能發(fā)電機(jī)組發(fā)展的因素之一：機(jī)組運(yùn)行過程中齒輪箱一直處于高速旋轉(zhuǎn)，增加了系統(tǒng)損耗，降低了能量利用率；海洋能發(fā)電機(jī)組往往安裝在海平面或海水之中，經(jīng)受嚴(yán)寒酷暑，海水腐蝕、溫度變化大，環(huán)境條件惡劣，導(dǎo)致升速齒輪箱的工況嚴(yán)峻，維護(hù)保養(yǎng)工作量大；為了能適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境，齒輪箱畢竟造價昂貴，更由于海洋能能量多變，往往會造成過載，這樣就更容易損壞齒輪箱，使得系統(tǒng)運(yùn)行成本增大。

因此，本設(shè)計(jì)取掉了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，水輪機(jī)主軸右端通過聯(lián)軸器和電機(jī)連接在一起，直接帶動電機(jī)發(fā)電，中間不經(jīng)過任何環(huán)節(jié)，這就實(shí)現(xiàn)了絕對的直驅(qū)。本文研制海洋能直驅(qū)發(fā)電方式有以下幾個方面優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高了發(fā)電效率高。直驅(qū)式發(fā)電沒有齒輪箱，減少了傳動損耗，提高了發(fā)電效率，尤其是在低轉(zhuǎn)速環(huán)境下，效果更加顯著。

（2）提高了可靠性。直驅(qū)技術(shù)省去了齒輪箱及其附件，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性。同時，機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)部件少，可靠性更高。

（3）運(yùn)行及維護(hù)成本低。采用無齒輪直驅(qū)技術(shù)可減少發(fā)電機(jī)組裝置零部件數(shù)量，避免齒輪箱油的定期更換，降低了運(yùn)行維護(hù)成本。

然而，這樣的海洋能直驅(qū)發(fā)電方式就需要發(fā)電機(jī)具有低速運(yùn)行的特性，并且有較高的效率，更者要求發(fā)電機(jī)要能在海水中運(yùn)行。

2 直驅(qū)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 直驅(qū)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，發(fā)電機(jī)采用盤式結(jié)構(gòu)：波浪能單位體積所攜帶的能量有限，要能高效的收集這些能源，發(fā)電機(jī)則成為本裝置中能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備之一。波浪能發(fā)電機(jī)，最多每分鐘幾百轉(zhuǎn)，因此發(fā)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性等決定本裝置在市場中的競爭力。常用發(fā)電機(jī)分為盤式和圓柱式兩種：圓柱式發(fā)電機(jī)的氣隙磁場延軸向分布，要想獲得較高的發(fā)電效率，圓柱式發(fā)電機(jī)必須運(yùn)行在高速下，而盤式發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子為平行結(jié)構(gòu)，克服了圓柱式發(fā)電機(jī)定子包容轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，軸向尺寸小，沒有疊片和鉚壓工序，工藝好，因此盤式發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在低速條件下。因此發(fā)電機(jī)選用盤式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，能夠在低轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定功率，從而滿足了波浪能發(fā)電系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求，提高了效率。

2.2 發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)的三相輸出接到風(fēng)光互補(bǔ)控制器上，通過控制器可以得到48V的穩(wěn)定電壓，可將穩(wěn)定的電能存儲在蓄電池中?？刂破鞯脑硎菍⑤斎氲慕涣麟娏魍ㄟ^三相橋式全控整流電路轉(zhuǎn)化成直流電流，直流電流通過升降壓斬波電路將電壓輸出控制在48V。值得注意的是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到54r/min控制器輸出端才會有電流輸出?？刂破魅鐖D2所示，經(jīng)過控制器流出的電流為直流，將控制器后面的電池組“+”“-”接到蓄電池的接口即可，反面細(xì)節(jié)如圖3所示。

2.3 直驅(qū)電機(jī)工作原理

2.3.1 三相橋式全控整流電路

在三相橋式全控整流電路中，如圖4所示，晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。

2.3.2 升降壓斬波電路原理

如圖5所示為升降壓斬波電路原理，V通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。

3 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室中模擬不同工況水流下輪機(jī)所具有的轉(zhuǎn)數(shù)，并以可控轉(zhuǎn)數(shù)電動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)測試其發(fā)電性能。為此，我們搭建了發(fā)電機(jī)測試平臺。發(fā)電機(jī)測試平臺如圖7所示，通過機(jī)架將發(fā)電機(jī)固定，通過聯(lián)軸器與傳感器相連。在發(fā)電機(jī)測試平臺中，右邊是直流電動機(jī)，模擬水輪機(jī)的作用，作為動力的出入。通過聯(lián)軸器與電動機(jī)相連的是傳感器，這種傳感器連接顯示屏后可以看到瞬態(tài)的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率。其中功率可是為發(fā)電機(jī)的輸入功率，這樣我們測出輸出功率后可以得到發(fā)電機(jī)的效率。電阻箱、整流器與扭矩儀如圖8所示，扭矩儀上的3個顯示屏即為扭矩、轉(zhuǎn)速、功率。

發(fā)電機(jī)所發(fā)出的是三相交流電，三相交流電輸入電子測試平臺，通過電子測試平臺，可以得到三相交流電的瞬態(tài)電壓、電流、功率、功率因數(shù)。流出整流器的電流經(jīng)過整流變?yōu)橹绷麟娏?，流入功率?jì)，并將滑動變阻箱串聯(lián)到整個電路中。

4 電機(jī)方案總結(jié)與展望

方案采用直驅(qū)式發(fā)電形式不僅增加了發(fā)電效率，而且提高的發(fā)電裝置的可靠性，無障礙運(yùn)行時間滿足了要求。發(fā)電機(jī)采用盤式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其能夠在低轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定功率，從而滿足了波浪能發(fā)電系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求，提高了效率。裝置發(fā)出的三相交流電通過控制器后，經(jīng)實(shí)際測量，電壓基本維持在48V左右，且為直流電，這將電能存儲到蓄電池中提供了條件，并最終達(dá)到了我們的要求。

但是發(fā)電機(jī)組安裝在海平面或海水之中，經(jīng)受嚴(yán)寒酷暑，海水腐蝕、溫度變化大，環(huán)境條件惡劣，容易遭受海水腐蝕，因此今后可以做的研究方向還有以下幾個方面：

1）發(fā)電機(jī)本身要具有良好的機(jī)械密封設(shè)計(jì)，評估不同海水深度、壓力下密封系統(tǒng)的可靠性。研究海水環(huán)流條件下，涉海材料在淤泥、深海、淺海、浪花飛濺、海霧等不同區(qū)域環(huán)境下，其腐蝕規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)的耐腐蝕材料；

2）發(fā)電機(jī)外部可增設(shè)防水箱，使發(fā)電機(jī)與海水具有了隔離層，不僅達(dá)到了防水的效果，也使發(fā)電機(jī)無需浸泡在海水中。

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[責(zé)任編輯：湯靜]