波浪能發電裝置發電機優化設計

張輝　王世明　李晴

【摘 要】本文在上海海洋大學研制的“浪流一體化發電裝置”的基礎上，對其發電機進行了優化設計，去掉了發電機和水輪機的中間轉換裝置，滿足了海洋能直驅發電的形式，通過電機實驗室性能測試驗證了其可行性，提高了發電效率和可靠率，降低了維護成本，可以應用于實際生產中。

【關鍵詞】浪流一體化；發電裝置；發電機；優化設計；直驅發電

【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

上海海洋大學研制的“浪流一體化發電裝置”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生慣性而發生連續轉動；通過主軸帶動發電機旋轉而產生電能。為海洋觀測、島礁生活、海洋養殖、海水淡化等提供穩定的電能，并用于解決邊遠海域的國防設施、部分電網未覆蓋的有居民海島、偏遠無居民海島生態建設中的供電需求。本文以此發電裝置為研究對象，對其水輪機匹配的發電機進行了優化設計，克服了傳統的海洋能需要經過三個部分轉換的缺點，沒有齒輪箱，減少了傳動損耗，采用發電機輸出電壓穩定控制器，實現了浪輪機的輸出轉速穩定，提高了發電效率，降低了運行維護成本。尤其是在低轉速環境下，效果更加顯著。

1 研究對象與方法

本項目設計的發電機是滿足海洋能直驅發電形式的。然而，齒輪箱的存在卻成為制約海洋能發電機組發展的因素之一：機組運行過程中齒輪箱一直處于高速旋轉，增加了系統損耗，降低了能量利用率；海洋能發電機組往往安裝在海平面或海水之中，經受嚴寒酷暑，海水腐蝕、溫度變化大，環境條件惡劣，導致升速齒輪箱的工況嚴峻，維護保養工作量大；為了能適應惡劣的運行環境，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，使得系統運行成本增大。

因此，本設計取掉了中間轉換環節，水輪機主軸右端通過聯軸器和電機連接在一起，直接帶動電機發電，中間不經過任何環節，這就實現了絕對的直驅。本文研制海洋能直驅發電方式有以下幾個方面優點：

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

（2）提高了可靠性。直驅技術省去了齒輪箱及其附件，簡化了傳動結構，提高了機組的可靠性。同時，機組在低轉速下運行，旋轉部件少，可靠性更高。

（3）運行及維護成本低。采用無齒輪直驅技術可減少發電機組裝置零部件數量，避免齒輪箱油的定期更換，降低了運行維護成本。

然而，這樣的海洋能直驅發電方式就需要發電機具有低速運行的特性，并且有較高的效率，更者要求發電機要能在海水中運行。

2 直驅發電機設計

2.1 直驅發電機結構設計

如圖1所示，發電機采用盤式結構：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，發電機則成為本裝置中能源轉換的關鍵設備之一。波浪能發電機，最多每分鐘幾百轉，因此發電機的技術指標、經濟性等決定本裝置在市場中的競爭力。常用發電機分為盤式和圓柱式兩種：圓柱式發電機的氣隙磁場延軸向分布，要想獲得較高的發電效率，圓柱式發電機必須運行在高速下，而盤式發電機的定轉子為平行結構，克服了圓柱式發電機定子包容轉子的結構缺點，軸向尺寸小，沒有疊片和鉚壓工序，工藝好，因此盤式發電機可以運行在低速條件下。因此發電機選用盤式發電機結構，能夠在低轉速下達到額定功率，從而滿足了波浪能發電系統對發電機的技術要求，提高了效率。

2.2 發電機輸出電壓穩定控制器設計

發電機的三相輸出接到風光互補控制器上，通過控制器可以得到48V的穩定電壓，可將穩定的電能存儲在蓄電池中。控制器的原理是將輸入的交流電流通過三相橋式全控整流電路轉化成直流電流，直流電流通過升降壓斬波電路將電壓輸出控制在48V。值得注意的是發電機轉速達到54r/min控制器輸出端才會有電流輸出。控制器如圖2所示，經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，反面細節如圖3所示。

2.3 直驅電機工作原理

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載R供電。V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。

3 實驗分析

在實驗室中模擬不同工況水流下輪機所具有的轉數，并以可控轉數電動機帶動發電機測試其發電性能。為此，我們搭建了發電機測試平臺。發電機測試平臺如圖7所示，通過機架將發電機固定，通過聯軸器與傳感器相連。在發電機測試平臺中，右邊是直流電動機，模擬水輪機的作用，作為動力的出入。通過聯軸器與電動機相連的是傳感器，這種傳感器連接顯示屏后可以看到瞬態的扭矩、轉速、功率。其中功率可是為發電機的輸入功率，這樣我們測出輸出功率后可以得到發電機的效率。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、轉速、功率。

發電機所發出的是三相交流電，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電壓、電流、功率、功率因數。流出整流器的電流經過整流變為直流電流，流入功率計，并將滑動變阻箱串聯到整個電路中。

4 電機方案總結與展望

方案采用直驅式發電形式不僅增加了發電效率，而且提高的發電裝置的可靠性，無障礙運行時間滿足了要求。發電機采用盤式發電機結構，其能夠在低轉速下達到額定功率，從而滿足了波浪能發電系統對發電機的技術要求，提高了效率。裝置發出的三相交流電通過控制器后，經實際測量，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，并最終達到了我們的要求。

但是發電機組安裝在海平面或海水之中，經受嚴寒酷暑，海水腐蝕、溫度變化大，環境條件惡劣，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）發電機本身要具有良好的機械密封設計，評估不同海水深度、壓力下密封系統的可靠性。研究海水環流條件下，涉海材料在淤泥、深海、淺海、浪花飛濺、海霧等不同區域環境下，其腐蝕規律，設計相應的耐腐蝕材料；

2）發電機外部可增設防水箱，使發電機與海水具有了隔離層，不僅達到了防水的效果，也使發電機無需浸泡在海水中。

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[責任編輯：湯靜]