輪緣驅動型潮流能發電系統的設計與試驗

徐 松， 王海峰

(1. 中國科學院 電工研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

目前，海洋能資源的開發形式主要有： 潮流能、波浪能、溫差能、鹽差能等[1，2]。本文主要針對潮流能發電技術進行相關討論。英國、美國、加拿大等國在潮流能方面的研究一直處于世界領先位置，并開展了多種機型及功率等級的樣機研發和海上試驗[3]。國內的浙江大學、哈爾濱工程大學、東北師范大學、中國海洋大學等單位在該領域也開展了理論及試驗研究[4]。

目前，大多數傳統的潮流能發電系統結構與風力發電系統結構類似，均采用葉片連接傳動機構帶動發電機發電的模式，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 傳統潮流能發電系統結構示意圖

在傳統結構中，傳動機構按不同的機型又可分為直驅軸、增速齒輪箱、液壓傳動裝置等。傳動機構在整個系統中起著十分重要的能量傳遞作用。但傳動機構的存在，也造成了長期工作于水下的潮流能發電系統結構復雜、運行可靠性下降、系統效率偏低等問題[4]。為了克服上述問題，相關學者提出了一種輪緣驅動型發電系統，將葉輪與發電機設計為一體化，無任何中間傳動環節。對比常規潮流能發電系統，該輪緣驅動系統結構簡單、發電效率高、運行可靠性高。

1 輪緣發電系統結構及工作原理

水下輪緣發電系統結構如圖2所示。該系統將發電機與葉片集成為一個整體，發電機轉子安裝于葉片的葉尖處，故稱之為輪緣發電系統，發電機稱為輪緣電機。系統從功能結構上可以分為能量捕獲裝置和輪緣電機兩部分。能量捕獲裝置是由多個葉片構成的葉輪，實現對潮流動能的捕獲；輪緣電機則完成能量的轉化，實現機械能轉化為電能輸出。其結構特點如下： 葉輪與發電機為一體化設計，葉輪直接驅動發電機旋轉，中間無任何傳動環節。輪緣發電系統工作原理： 具有一定流速的洋流沖擊葉片，受來流沖擊的葉片在不同的升力和阻力作用發生旋轉；葉輪帶動發電機轉子旋轉，發電機定子線圈切割磁場并將機械能轉化為電能輸出。

圖2 輪緣發電系統結構示意圖

1.1 葉輪能量捕獲基礎理論

當葉輪旋轉平面垂直于水流方向時，葉輪結構從洋流中所捕獲的功率PT可用式(1)表示[5]。

(1)

式中：Cp——葉輪能量捕獲系數；

A——葉輪掃流面積；

ρ——海水密度；

v——水流流速。

從式(1)可看出，在其他參數一定的情況下，系統捕獲的能量PT正比于葉片掃流面積A。故系統設計時，在滿足系統性能的前提下，需要盡可能增大輪緣電機轉子內徑以獲得較大的葉輪掃流面積，從而提高系統能量捕獲。

1.2 永磁同步電機基礎理論

輪緣發電機設計為永磁同步發電機，其磁路等效模型如圖3所示[6]。圖3中，Fc為永磁體磁動勢源的計算磁動勢，Fa為每對級磁路中的電樞磁動勢，Λ0、Λσ、Λδ分別為內磁導、漏磁導和主磁導，φm、φσ、φδ分別為總磁通、漏磁通和主磁通。

圖3 永磁同步發電機等效磁路模型

輪緣發電系統為葉輪直接驅動發電機旋轉發電，忽略摩擦損耗，葉輪輸出的機械功率完全轉化為電機電磁功率Pe，即系統發電功率可用式(2)表示。

永磁同步電機電樞電流具有較好的正弦性，輪緣電機的電磁轉矩Te可用式(3)表示[7]。

(3)

式中，kw1——基波磁動勢繞組因素；

AL——電樞電流密度；

B1——定子表面基波磁密峰值；

D——電機氣隙直徑；

L——鐵心軸向有效長度；

ψ——電角度。

從電機電磁功率和轉速ω關系出發，可將電磁轉矩Te表達為

Te=Peω-1

(4)

由式(3)及式(4)可知，電磁轉矩正比于氣隙直徑的平方，即在發電功率一定的情況下，發電機轉速反比于氣隙直徑的平方。針對直驅型的發電機結構特點，往往額定轉速設計得較低，而輪緣發電機徑向尺寸較大，其結構特點滿足直驅型發電系統低速大轉矩的特性要求。

2 輪緣發電系統設計

從結構功能上來說，輪緣發電系統由葉輪和電機兩部分組成,本文分別對葉輪及發電機的設計和特性進行討論。

2.1 水力葉輪設計及分析

輪緣驅動型潮流能發電系統的葉輪由多片葉片組成，葉片某一位置處的翼型截面如圖4所示。

圖4 翼型截面

圖4中，v為水流速度,a為軸向速度誘導因子，b為切向速度誘導因子，Ω為葉片旋轉角速度，r為某一位置葉片展長半徑。

葉輪在旋轉中，水流速度相對葉輪而言是軸向速度和切向速度的合成速度，相對來流速度W可表示為

相對流速速度與葉輪旋轉平面的夾角φ為

(6)

式中：λ——切向速度與來流速度的比。

采用Wilson葉片設計方法對水下發電系統的葉輪進行設計，葉片的能量捕獲系數可用式(7)表示。

(7)

式中：λ0——葉尖速比；

F——葉尖損失系數。

選取NACA-634xx系列為葉片基本翼型，得到等寬葉片設計參數，如表1所示。

表1 輪緣發電系統葉輪設計參數

2.2 輪緣電機設計及分析

在輪緣發電系統中，為了能夠增加系統能量的捕獲，需要在滿足電機電磁性能的情況下，降低定轉子磁軛、槽深等尺寸，盡可能的擴大電機轉子內徑以增加葉片掃流面積。電機安裝于葉片輪緣處，其結構特點是轉子內徑大而軸向尺寸小。由于電機氣隙內直接通過海水，需要考慮定子線圈及轉子永磁體密封防腐等因素，故氣隙設計值較常規電機大。輪緣電機設計為三相永磁同步電機，為降低發電機轉矩脈動及改善電壓波形，定子采用了分數槽繞組及斜槽措施。電機設計參數如表2所示。

表2 輪緣電機設計參數

相比常規電機而言，本文所研究的輪緣電機徑向尺寸較大而軸向尺寸較小，是一種典型的扁平結構的電機。本文采用有限元方法計算輪緣電機的磁場特性和靜態特性，使用Ansoft/Maxwell電磁場分析軟件對輪緣電機進行建模和仿真分析。輪緣發電機的仿真模型和二維網格剖分結果如圖5所示。

圖5 輪緣電機仿真模型及二維網格剖分結果

電機在額定負載下的磁力線分布如圖6所示。由圖6中可知，磁力線合理地分布于定轉子軛部及定子齒部，電機的漏磁較小。

圖6 額定負載下電機磁力線分布

電機在額定負載下的氣隙磁密分布如圖7所示。由圖7中可知，在額定負載氣隙磁場分布具有較好的正弦分布，有利于減少輸出電壓的諧波分量。

圖7 電機氣隙磁密分布圖

電機齒槽轉矩波形如圖8所示。從仿真結果來看，電機起動時定位力矩較小，便于系統在低流速情況下直接起動。

圖8 齒槽轉矩波形

從以上仿真結果可以看出此電機方案設計合理，各項指標滿足設計要求。

3 系統樣機水下試驗

對輪緣發電系統樣機開展了水下試驗。水下樣機試驗運行圖片如圖9所示。

圖9 輪緣發電系統水下運行

系統輸出電壓波形、不同水流速度下試驗樣機功率，以及不同流速下試驗樣機轉速如圖10～圖12所示。

圖10 系統輸出電壓波形圖

圖11 不同流速下系統功率

圖12 不同流速下系統轉速圖

從樣機系統的試驗運行結果可看出： 輪緣驅動型潮流能發電樣機系統輸出電壓波形具有較好的正弦度；發電系統捕獲功率在水流2m/s時，功率為90W,并隨著水流速度的增加逐漸上升；在水流為3m/s時，超過300W;樣機系統發電機轉速在水流3m/s時，超過200r/min，系統達到設計指標。

4 結 語

本文研究討論了一種輪緣驅動型潮流能發電系統，詳細介紹了系統結構，分析了系統能量的捕獲原理及輪緣驅動型永磁同步發電機發電理論，給出了系統設計參數。使用有限元方法詳細分析了輪緣電機電磁特性及靜態特性，并對樣機系統開展了相關試驗研究。計算和試驗結果驗證了輪緣驅動型潮流能發電系統設計方法正確合理，為下一步設計更大功率的輪緣驅動型潮流發電系統提供了理論和實踐指導。

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