基于直線電機的波浪能發(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，同時生成大量污染環(huán)境的廢棄物，引起溫室效應等嚴重后果。因此，應大力開發(fā)風能、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，較太陽能與風能更容易預報，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際應用，取得了不少寶貴的經(jīng)驗。

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能和勢能。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動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，研究的重點集中于三種被公認為具有商品化價值的裝置，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)電的實驗模型和商業(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)電原理和應用場合有所不同，它們的一些技術(shù)特點見表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運動的能量，轉(zhuǎn)化為發(fā)電機高速的旋轉(zhuǎn)運動，其轉(zhuǎn)換過程一般可分為三個環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)是采集波浪能量，第二個環(huán)節(jié)是傳遞能量，第三個環(huán)節(jié)是發(fā)電機發(fā)電。其中第二個環(huán)節(jié)是將低速低壓的波浪能轉(zhuǎn)化為高速高壓的機械能，這個環(huán)節(jié)一般通過液壓傳動機構(gòu)或是低水頭的水輪機完成，在有些情況下還存在能量的遠距離傳輸、穩(wěn)壓、穩(wěn)速和儲能過程，這個中間環(huán)節(jié)必然會增加系統(tǒng)的復雜性以及能量損耗，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，后期維護也存在一定的困難。

表1 不同類型波浪能裝置特點比較

為了克服現(xiàn)有波浪能轉(zhuǎn)換裝置的各項缺陷，直線發(fā)電機開始被應用到轉(zhuǎn)換裝置中。此時，波浪的直線運動直接傳遞到發(fā)電機的運動部件上，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能轉(zhuǎn)化為機械能，二級是將機械能直接通過發(fā)電機轉(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)造價創(chuàng)造了有利條件。

2 基于直線電機的波浪能發(fā)電裝置

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

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，是一個典型的點吸收式波浪能轉(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)電機的定子部分是連接在錨系上的永磁體組，而動子部分則是固定在浮子上的線圈，動子在波浪的作用下發(fā)生相對于定子的直線運動，于是在定子線圈中產(chǎn)生感應電動勢。

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)電機進行能量轉(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。由于其運動部件和水下部件較少，所以施工簡便，大大提高了整個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力的作用，另一方面防止動子與定子的相對運動幅度過大，以免造成動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能，采用了自適應變阻尼技術(shù)來實現(xiàn)隨機波況下的最佳阻尼，使得系統(tǒng)吸收的波浪能達到最優(yōu)。通過設計浮體固有頻率和來波頻率一致，以及設計阻尼系統(tǒng)使頻率響應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

直線電機可以看作是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)上的一種演變，將旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，然后沿圓周展開，就得到一臺原始的直線電機，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所示的直線電機僅在一邊安放初級，這樣的直線電機稱為單邊型直線電機。單邊型直線電機的初級與次級之間存在一個很大的法向吸力，影響電機的穩(wěn)定運行，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。

平板型雙邊直線發(fā)電機在功率較小的時候，與圓筒形直線電機相比體積與重量更小，結(jié)構(gòu)簡單，安裝更方便，又因為永磁直線發(fā)電機無需電流勵磁，不存在電刷和滑環(huán)裝置，無勵磁損耗，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。

圖4 旋轉(zhuǎn)電機與直線電機結(jié)構(gòu)示意圖

直線發(fā)電機包括運動部分和靜止部分，通常靜止部分為定子(初級)，運動部分為動子(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。可以采用的安裝方式有兩種，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、負載角和材料用量，要達到的目標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，還需要一個較小的負載角，一個具有固定的低負載角的電機在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程中具有更好的性能，受變化的負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)電機為參考，通過調(diào)整動子的垂直長度來保持輸出功率、電壓和動子寬度等參數(shù)恒定，然后考察各個方案中材料用量、效率、負載角等技術(shù)指標，綜合分析后選擇最適合應用于波浪能發(fā)電系統(tǒng)的直線發(fā)電機方案。

表2 直線發(fā)電機參考數(shù)據(jù)

四種發(fā)電機動子方案的材料用量、效率和負載角的關(guān)系如表3所示，選取的是每種電機效率最高而材料使用量最低時候的數(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載角較低，效率均為85%左右，都可以作為理想的選擇，但是，當采用釹鐵硼材料的時候，發(fā)電機的動子更輕，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)電機的參考指標

釹鐵硼永磁的主要成分是Nd2Fe14B，是目前磁性最強的永磁材料。它的最大磁能積可達 400 kJ/m3或者更高，剩磁可達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，釹鐵硼的價格比稀土鈷永磁材料的價格要低得多，而且釹鐵硼永磁體的力學性能好，易于進行切割加工，因此，在直線發(fā)電機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，每個發(fā)電機具有一個相對較低的設計輸入功率，采用的方案是將多個發(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，不規(guī)則的海浪運動會產(chǎn)生一系列的動子頻率，而兩臺具有不同頻率的發(fā)電機是不能夠連接的。因此，發(fā)電機發(fā)出的電能必須經(jīng)過一個整流環(huán)節(jié)。若干個發(fā)電機可以在直流側(cè)聯(lián)接成一個發(fā)電機組，從而增大能量的輸出，由此看來，盡管目前主要的焦點都集中到了直線發(fā)電機本體的發(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

單獨的發(fā)電裝置可以看做一個基本單元，在系統(tǒng)方案1中，若干個基本單元在直流側(cè)連接，然后將此發(fā)電機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)的復雜性，減小可行性，因為設備的維護對于天氣的依賴將會加強，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，因為傳輸電壓更高而電流更低。第四種也是最后一種系統(tǒng)方案包括一個高壓直流（HVDC）傳輸系統(tǒng)，這個系統(tǒng)更加復雜但傳輸損耗較低，安裝運行時需要一個平臺或是一個防水的容器，這個系統(tǒng)方案兼顧了低損耗與復雜性需求。

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

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，應當避免將受控部件安裝到海上，因此第四種系統(tǒng)方案的應用受到了一定的限制，只適用于遠離電網(wǎng)連接點的大規(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，例如不可能將設備安裝在靠近電網(wǎng)連接點位置的情況，或是電能消費地和設備安裝地在同一地點的情況。

綜合各個系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點可以發(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，具有較大的應用潛力。海浪中蘊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，不同的波能密度和波浪周期決定了發(fā)電機動子的運動速度的不同，因而線圈繞組內(nèi)磁通和能量輸出特性也不同。各個國家的研究重點是由各國的波能特性決定的，如西歐國家研究的重點是裝置的可靠性，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，應當充分利用我國豐富的稀土資源，設計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)濟發(fā)達地區(qū)的能源和環(huán)境壓力。可以預見，永磁直線發(fā)電機在波浪能發(fā)電領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的發(fā)展前景。

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