緊湊高效機電一體化海洋能發電系統的探究

謝 嘉，王世明，高中勇，高艾琳，吳燕翔

（上海海洋大學 上海201306）

隨著社會和經濟的發展， 人類對資源的需求量越來越大，我國正處在向工業化轉型的關鍵時期，能源的問題尤為突出，海洋能以其可再生性和潔凈性得到人們的廣泛關注。 浩瀚的海洋蘊藏著巨大的能量，海洋總面積達3.61 億km2，約占全球總面積的71%， 海洋儲水量約為全球總水量的97%，海洋是超大的太陽能接收體和存儲器，是個“藍色油田”。 全世界海洋能的理論可再生量超過760 億kW，其中溫差能約400億kW，鹽差能約300 億kW，潮汐能約30 億kW，波浪能約30 億kW，海流能約6 億kW，技術上允許利用的海洋能約64億kW[1-2]，海洋能開發利用的主要方式是利用海洋能進行發電。 世界上大多數國家都對海洋能發電系統進行了廣泛的研究，也取得了較好的成績[3-7]，然而，已有的海洋能發電系統在實用性和高效性方面至今未能有很大的突破，從而還未能達到很好的產業化[8]。 為此從海洋能特性的實際出發，研究從能量捕獲、高效轉換、系統控制、電力系統等各個環節到綜合集成的緊湊高效的機電一體化海洋能發電系統， 將具有很大的理論價值和實際意義。

1 傳統海洋能發電系統存在的問題及應對策略

海洋能的特點可總結為：1）具有可再生性；2）是一種清潔能源；3）其能量多變，具有不穩定性，應用起來比較困難；4）能量巨大，但分布分散不均，能量密度低。 因此海洋能既具有很大的吸引力又存在著難于開發利用的困難。 傳統的海洋能發電系統在能量轉換部分幾乎都包括三個環節， 即第一級轉換完成海洋能到機械能的轉換， 最終轉換完成機械能到電能的轉換，第一級轉換和最終轉換之間部分稱為中間轉換環節，其是第一級轉換和最終轉換之間的橋梁， 一般要能起到傳輸能量、穩向、增速和穩速的作用。 其中增速和穩速是為了適應傳統發電機而設置的，傳統發電機需要高速運行，同時速度要穩定，這樣才能輸出穩定幅值和頻率的交流電能。這個思路和傳統的水輪機以及汽輪機發電相同， 都是設法調整發電機之前的相關參數，最終滿足發電機的輸入要求，而發電機本身不做適應低速和不穩速度的研究和設計。 這樣傳統海洋能發電系統就存在如下一些問題：

1)將能量轉換的重點壓在了第一級轉換部分，即海洋能到機械能的轉換要竭盡所能達到高效， 同時機械能的輸出形式還要高質量。 然而高質量機械能輸出形式的要求和能量轉換效率的高效之間往往存在著矛盾。

2) 中間轉換環節完全是為了適應后面發電機的運行需求而設置的，在整個海洋能轉換過程中其實是個多余的部分，其耗能大，而且維護壓力大。

3)發電機幾乎都是購買現成的系列產品，其必須在滿足額定輸入要求的前提下才能高效運行，否則效率低下。

4)整體控制效能低，遠程監控也比較薄弱。

上述問題體現出在傳統海洋能發電系統的設計中，往往各自為政，沒有整體的考慮系統。 首先，第一級轉換部分的海洋能到機械能的轉換不必要追求其輸出能量形式的高質量，因為對輸出能量形式高質量的追求勢必會影響海洋能量的捕捉能力及其高效轉換能力； 其次， 中間轉換環節完全可以去掉，這樣將會提高整個系統的效率，減少系統維護量；最后，最終轉換中用于海洋能發電的發電機要能全方位接受不同質量的機械能輸出形式，并且能將其高效轉換成電能，高質量的電能輸出形式由高效的二次電-電能量轉換方式來最終獲得；同時，對整個系統要進行有效監控和整體控制，并實現遠程操作的功能。 可以看出上述針對傳統海洋能發電系統問題的應對策略將矛盾分散化了， 能量轉換系統的各個部分既各自發揮自己的最大優勢、高效完成自己的主要任務，又各部分之間有機結合，以最終實現海洋能的高效轉換，并得到優質的輸出電能形式。

2 緊湊高效機電一體化海洋能發電系統結構

上節對傳統海洋能發電系統存在問題分析所產生的應對策略，就構成了緊湊高效機電一體化海洋能發電系統，其系統結構如圖1 所示，其中各個環節主要功能如下：

圖1 緊湊高效機電一體化海洋能發電系統組成結構圖Fig. 1 Structure diagram of mechanical-electrical ocean energy generation system

1)能量捕獲和能量轉化環節，它們構成海洋能轉化的第一級轉換部分，用于將海洋能轉化成一種機械運動，可以是旋轉運動也可以是直線運動。 這部分要完全適應海洋能的實際運行形式，以保證海洋能到機械能的能量轉化效率。

2)高效自適應發電機，用于將前面第一級轉換獲得的機械能轉化成電能， 該發電機可以根據前面能量的大小和頻率的變化自動調整其本身發電單元的多少， 從而使得該發電機始終在高效、高輸出幅值的狀態下運行，保證機械能到電能的能量轉化效率。

3)二次電-電能量轉換環節，其包括3 個部分。 ①整流穩壓部分將發電機發出的幅值和頻率變化的電能經過整流和穩壓，得到某個幅值基本無脈動的直流電能。通過對該部分中整流電路的控制， 可以使其工作在單相、 兩相和三相的工作狀態，以適應前面發電機的工作狀態。②直流電壓綜合穩定部分將多個分散的發電裝置得到的直流電在這里疊加， 然后用升降壓斬波電路和穩壓電路實現其輸出電壓的穩定和幅值固定，該電壓要能滿足后面逆變電路的輸入要求。其中需要控制升降壓斬波電路的調整系數， 以保證輸出電壓穩定在要求數值上。 ③逆變電路用于將前面獲得的穩定直流電能再逆變成交流電能， 其輸出的交流電壓幅值和頻率必須滿足負載或并網的要求，需要對其輸出進行控制，可以采用PWM 控制技術實現。

4)中央控制單元用于對整個發電系統進行控制，并和其他發電裝置交換信息，以便協調工作，同時通過無線通訊技術實現和遠程監控系統的信息交互， 從而將該發電系統的工作情況和整個發電網絡共享，并接受遠程控制。

3 緊湊高效機電一體化海洋能發電系統具備的特點

根據上節對緊湊高效機電一體化海洋能發電系統各個環節功能的分析，可以看出系統的特點如下：

1)能量捕獲環節能最大限度的捕捉到海洋能。 為了達到這個目的，只需唯一實現把海洋能轉化成機械能就行，可以不追求捕獲到的能量質量，比如運動速度不要求均勻，頻率不要求一致，得到的能量可大可小等。

2)海洋能到機械能的轉換簡捷高效。 能量轉換的簡捷高效才能提高能量轉換的效率，徹底去掉中間轉換環節，第一級轉換甚至可以簡化成僅僅就是能量捕獲環節或者只加些非常簡單的能量傳輸。

3)發電機能寬范圍的高效的將不同質量的機械能轉換成電能。發電機能自動適應第一級轉換輸出的機械能形式，將其幅度、頻率和能量大小變化的機械能高效的轉換成電壓、電頻率和電功率變化的電能。 這方面顯然要打破傳統發電機的設計思路，需要進行創新型設計。比如：①發電機定、轉（動）子的模塊化設計以適應機械能量形式的變化； ②電樞線圈空間的最大設計以獲得高的電流輸出能力， 從而適應轉換能量的高低變化；③定、轉（動）子齒形的優化設計以適應機械運動幅度、頻率的變化，并能將其攜帶的能量最大限度的轉換成電能形式；④發電機極對數盡可能多，以實現在輸入機械速度較低的情況下仍然能獲得高的電速度，從而得到高的輸出電壓。對于該適應海洋能轉換的發電機， 對其機電能量轉換電磁場媒介特性的深入研究是關鍵， 這是設計出高性能適應海洋能轉換發電機的基礎。

4)機械轉換裝置和發電機緊湊融為一體。 發電機本身就是一個機電一體化裝置，對于適應海洋能轉換的發電機設計，不能被傳統的電機形式所禁錮。比如設計成直線型，動子就是能量捕獲環節的運動部分， 將發電機定子和能量捕獲環節的運動部分一體設計，這樣就達到了最簡化。如果采用旋轉的形式，可以把發電機直接做在機械部分的旋轉軸上，或者就做成輪轂的形式。另外可以從發電的基本原理出發研究發電機，比如采用磁流體發電，其將導電流體(氣、液體)以一定的速度垂直通過磁場，從而感應電動勢產生電功率，其將機械轉換裝置和發電機緊湊融為了一體。 上述的緊湊結合形式顯然能很好的提高效率。

5)采用二次電-電能量轉換獲得高質量電能。 前述發電機輸出的電能其電壓、頻率以及電能的大小是變化的，有時也是單相的或多相的，這種電能稱為粗電，用戶基本無法使用，也不能并網。 通過二次電-電能量轉換進行整流、穩壓、綜合和逆變就能最終獲得高質量的電能形式， 提供給用戶或者并上電網。 電-電能量轉換本身效率很高，其在功能上代替了傳統海洋能發電系統中中間轉換環節的功能，顯然提高了效率，并將矛盾分散化。在海洋能發電系統中，不用先考慮電能的幅值、頻率等問題，只需考慮轉換效率最大即可，電能質量問題由高效的二次電-電能量轉換環節完成。

6) 緊湊高效機電一體化海洋能發電系統的綜合控制能力和遠程監控能力。 整個系統要高效運行，必須實時監控、判斷和實時綜合控制，這由圖1 中的中央控制單元實現。 同時，許多大型的海洋能電場一般都分布在比較偏遠的、 海況差的地區，每一個海洋能電場中的發電機組的數量都比較多，且各個海洋能電場之間又都是相對比較分散的， 這就需要遠程地對海洋能發電機組的各個參數進行檢測和控制。 綜合控制能力和遠程監控可以做成一個完善的遠程監控系統， 在緊湊高效機電一體化海洋能發電系統中利用計算機通過網絡系統實現，這可以有效地實現對海洋能發電的控制，還可以實現對整個范圍的控制。

4 緊湊高效機電一體化海洋能發電系統的幾種發展方向

和傳統海洋能發電系統相比， 緊湊高效機電一體化海洋能發電系統主要在發電機方面有重大的突破， 主要有3 種形式：1）高效的能夠適應直驅運行的旋轉發電機系統；2）高效直線發電機系統；3）磁流體發電機系統。

4.1 高效直驅運行的旋轉發電機系統

上海海洋大學在國家海洋局項目" 面向實時傳輸海床基的波浪能供電關鍵技術研究與試驗" 中所研制的波浪能發電系統就是典型的緊湊高效型機電一體化海洋能發電系統。 其采用直驅方式將水輪機捕獲到的能量直接傳遞給盤式發電機， 發電機輸出電能經整流穩壓裝置后輸入電網或用于蓄電池充電。在整個過程中，有聯網監控裝置對系統的電壓、電流、功率和相位角等數據進行監控，并傳遞給管理控制中心。 圖2是項目研制的臥式浪流發電裝置輪機模型。

圖2 臥式浪流發電裝置模型Fig.2 Horizontal wave flow generation device model

發電裝置模型主要由5 個機翼、1 根主軸、2 個輪輻、1 個機架及發電機等組成。 圖中2 為機翼，將其固定在輪輻上，輪輻由法蘭與主軸連接在一起。 主軸兩端和機架由軸承連接在一起，右端通過聯軸器和發電機連接在一起，直接驅動發電機發電，減少能量的損耗。該發電系統在廈門海域進行了實地試驗，驗證了系統設計的可行性，項目獲得了豐碩的成果，現在已經結題。 發電系統入水畫面如圖3 所示。

4.2 高效直線發電機系統

直線發電機可以看成是將一臺旋轉電機按徑向剖開展成平面而成。它可以直接將直線運動的機械能轉換成電能，中間不需要任何傳動裝置。 由傳統電機定子演變而來的稱為初級（或仍然叫定子），轉子演變而來的稱為次級（動子）。在實際應用中， 通常將定子和動子造成不同的長度以保證初級與次級間的耦合保持不變。 直線發電機的工作原理與旋轉發電機相似，在海洋能發電系統中，一般將直線發電機制造成永磁發電機，采用永磁體建立氣隙磁場。

圖3 廈門海試實驗圖Fig. 3 Experiment at Xiamen sea

在海洋能發電系統中，采用永磁直線發電機，可以將能量捕獲環節及簡單機械變換獲得的直線運動直接傳遞到直線發電機的動子上，去掉中間傳遞環節，從而簡化了系統結構，提高了系統轉換效率，并且降低了系統的造價。

4.3 磁流體發電機系統

磁流體發電的研究始于20 世紀50 年代末，被認為是最現實可行、最有競爭力的直接發電方式。磁流體發電機又稱為等離子發電機， 是利用超高溫下的導電流體與強磁場相互作用產生電能的一種發電設備。 在幾千度的高溫下， 一些物質（加熱燃料、惰性氣體、堿金屬蒸氣）中的原子和電子會強烈運動，有些電子會脫離原子核的束縛變成自由電子，而失去電子的原子則變為帶正電的粒子。自由電子，帶正電的粒子以及原子核組成等離子體， 將等離子體以超音速的速度噴射到一個加有強磁場的通道里，帶電粒子在洛侖磁力的作用下，正負粒子分別向磁場兩級聚攏，于是極板之間產生電壓，其外接負載就能當做電源使用。

利用磁流體發電，只要加快帶電流體的噴射速度，增加磁場強度，就能提高發電機的功率。 人們使用高能量的燃料，再配上快速啟動裝置，就可以使發電機功率達到1000 萬kW，這就滿足了一些需要大功率電力的場合。 現在磁流體發電機制造中的主要問題是發電通道效率低，只有10%，通道和電極的材料都要求耐高溫、耐堿腐蝕、耐化學燒蝕等，目前所用材料的壽命都比較短，因而磁流體發電機不能長時間運行。

目前有一種液態金屬磁流體波浪能發電系統，它是將磁流體發電機與波浪能發電相結合的一種新型發電方式。 該發電系統是采用振蕩浮子的形式來驅動液態金屬磁流體發電機， 因為液態金屬的阻力特性可以和波浪的運動特性很好地耦合，所以省去了中間機械轉換系統，避免了能量損失又降低了成本。缺點是液態金屬磁流體發電機存在端部效應，在換向的過程中也會有一定的能量損失。

5 結論

盡管我國擁有豐富的海洋能資源，但海洋能到電能的轉換效率低成為阻礙海洋能利用的主要障礙。 為此應該讓能量捕獲、高效轉換、系統控制、電力系統等各個環節發揮自己的最大優勢，高效完成自己環節的主要功能，同時又要把它們有機整合起來，并且使得整個系統緊湊高效，這樣獲得的機電一體化海洋能發電系統將會在海洋能發電方面獲得重大的突破。文中的研究表明，該緊湊高效機電一體化海洋能發電系統的重點和難點是適應海洋能運動特性發電機系統的理論研究和創新型設計，該類發電機應該具有低速、高能量密度和高效能量轉換的特性。今后在海洋能發電研究方面，面向海洋能轉換的發電機系統的研究將是一個重要方向， 對其的深入研究將具有很好發展前景和重要的理論意義， 該研究對于海洋能的有效利用具有基礎性的支撐作用， 研究所獲得的設計理論和研究成果將有利于我國對海洋能的利用， 將會產生重大的經濟效益和社會效益。

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