海上風機樁基礎振動發(fā)電

摘 要：由于海上風力發(fā)電的廣泛應用和該項技術的迅速發(fā)展，海上風力發(fā)電廠的發(fā)電量和規(guī)模也越來越大。但海上風力發(fā)電成本較高且效率較低。樁基礎受荷復雜，產(chǎn)生大量振動。文章將介紹一種裝置利用發(fā)電機組所受影響化劣勢為優(yōu)勢，利用多種載荷產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)化為電能，提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率，改善風力發(fā)電機組的不足之處。

關鍵詞：海上風機；樁基礎；振動發(fā)電

引言

隨著全球氣候惡化和環(huán)境破壞的日益嚴重，節(jié)能減排和發(fā)展新能源已成為一個世界上的共識。由世界氣象組織的資料可知，在太陽對地球輻射的能量中，有將近3%的能量會轉(zhuǎn)變?yōu)轱L能，每年在全球范圍內(nèi)的風能總量將近3×109MW，這些能量中可利用的能量也可達到2×107MW，每年地球上可供開發(fā)利用的風能的總量也僅僅是這些能量的十分之一。風能資源極大程度地取決于地形，大多處于大陸的收縮地帶和沿海地區(qū)。我國的風力資源位列美國和俄羅斯之后，即為世界第三。根據(jù)中國氣象科學研究院的資料可以了解到，中國的風能儲量也十分豐富，可達4000GW。

海洋環(huán)境不同于陸上，風機樁基礎處于半埋入狀態(tài)，樁基除受風力作用而產(chǎn)生的振動荷載作用以外，還受到了浪、流等的沖擊載荷，其樁基振動無法避免。因此，有必要對水平和豎向荷載耦合作用下部分埋入群樁的振動特性作進一步的研究。如果能將這一部分振動合理運用轉(zhuǎn)化為電能，則能大幅提高風機的發(fā)電效率，使發(fā)電成本大幅降低。且由于部分振動能轉(zhuǎn)化為電能，也減少了振動能在樁基上累積形成的疲勞破壞。這必將推動風電的大力發(fā)展。

1 振動發(fā)電背景

振動發(fā)電機主要有壓電式、靜電式和電磁式三種。電磁式微型發(fā)電機是通過電場將機械能轉(zhuǎn)化為電能。分布在振動質(zhì)量塊的周圍的線圈在固定磁體產(chǎn)生的磁場中，根據(jù)法拉第定律，由于通過繞組線圈的磁通量發(fā)生變化，會產(chǎn)生電勢差。但是這個電壓值很小，所以必須增大到可以被使用的能源。增大的方法包括增大磁場或增加繞組線圈的圈數(shù)。

1.1 磁化環(huán)形永磁體振動發(fā)電裝置

圖1中的結構是《一種新型振動發(fā)電機裝置及其建模與實驗研究》中提出的振動發(fā)電裝置，主要由內(nèi)圓筒、外圓筒、外側線圈、內(nèi)側線圈和釹鐵硼永磁體和空心軸六個部分組成。振動發(fā)電裝置的圓柱型外圓筒上纏繞著外側繞組，管中放置著環(huán)形永磁體。共有三個環(huán)形永磁體用兩個用詞彈簧連接，位于中部的環(huán)形永磁體，由于受斥力作用位于上下兩固定的環(huán)形永磁體之間，永磁體中相對的兩面具有相同的極性，兩端永磁體固定。在環(huán)形永磁體內(nèi)側的空心軸上也纏繞了一定匝數(shù)的線圈，以便提高振動產(chǎn)生磁場能量的利用效率，同時為了提高輸出電壓等級，可以將內(nèi)外線圈繞組串聯(lián)。當受到外部的激振后，中間的環(huán)形永磁體由于受到兩端固定的環(huán)形永磁體的斥力的作用，做往復的振動，從而改變內(nèi)外繞組線圈的磁通量，從而產(chǎn)生電動勢。

輸出電壓與功率的特性曲線如圖2所示，在電流為10.6mA，電壓為2.7V時，最大有效輸出功率為28.3mW[1]。

1.2 懸臂式振動發(fā)電裝置

永磁體振動發(fā)電技術不僅在汽車活塞，人行道等較為宏觀的振動中有所應用，在微機電領域也得到廣泛應用。通過將永磁體和感應線圈，整流穩(wěn)流等電能處理電路集成到微機電系統(tǒng)中，通過外部的振動使集成電路中的線圈與永磁體產(chǎn)生相對和往復的運動，從而產(chǎn)生感應電動勢。但是由于微機電系統(tǒng)中的振動的振幅相對于其他領域要小很多，從而產(chǎn)生的感應電動勢也很小，所以必須多采用一些特殊結構對振動的幅值進行放大，比如懸臂梁結構。永磁振動發(fā)電機典型懸臂梁結構如圖3 所示。

永磁振動發(fā)電機懸臂梁的自然頻率為3.5-4.5kHz，所用釹鐵硼永磁體尺寸為8mm×8mm×8mm、剩磁為1.18T。線圈電阻為580Ω，負載電阻為250Ω，最大輸出電壓和功率分別為50mV和0.4μW[2]。

1.3 內(nèi)置式振動發(fā)電裝置

另一種永磁體內(nèi)置式振動發(fā)電機的結構如圖4所示，機構內(nèi)部放置著圓柱形的永磁鐵，該永磁鐵是主要的運動部件，同時永磁體四周纏繞著電樞繞組，繞組與發(fā)電機的外壁通過非導磁的零件連接。圓柱形永磁體與彈簧之間通過發(fā)電機外殼上固定著的非導磁彈簧座連接。該發(fā)電機振動發(fā)電的原理是：當外部的振動引起該發(fā)電機的振動時，外部的振動將會由磁體4和彈簧5共同構成的拾振系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛来朋w在上下方向上的振動，電樞繞組3與永磁體之間會在這個過程中產(chǎn)生位置的相對運動，電樞繞組3會產(chǎn)生由切割磁感線引起的感應電動勢，通過電磁感應產(chǎn)生的電流由橋式整流和引線9傳輸?shù)絻Υ骐娔艿脑O備或用電設備，進而達到將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪康腫3]。

2 原理

考慮到海上風機的振動特性以及發(fā)電機是否適用于海上風機，內(nèi)置式振動發(fā)電機更加適用于通過海上風機的振動發(fā)電。應用永磁體與外殼的相對運動進行發(fā)電。永磁振動發(fā)電裝置是指在外部機械振動過程中，裝置中的永磁體和感應線圈產(chǎn)生相對位移，線圈在磁場中不斷切割磁感線，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

基于樁基的機械振動，永磁體和感應線圈之間產(chǎn)生相對位移，感應線圈上會產(chǎn)生感應電動勢這種設計模式是用拾振機構將線圈振子或永磁振子連接起來，線圈會在外部振動的影響下反復切割磁感線，通過線圈內(nèi)部磁通量的變化產(chǎn)生電動勢，實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。由于不同的磁體和線圈，永磁體式振動發(fā)電裝置輸出功率一般在mW級以上，有的甚至能達到kW級。

根據(jù)結構動力學原理得出了振動基本方程如下：

阻尼的大小可以運用次生阻尼和結構阻尼來調(diào)節(jié)。由于裝置的尺寸有一定的限制，裝置所允許的最大位移也相應由一定的限制，可以用ζ來調(diào)節(jié)裝置所允許的最大位移。由相關公式可得到，應將質(zhì)量塊的振幅以及振源的振幅和頻率等都納入考慮的范圍。系統(tǒng)的品質(zhì)因子會在外部作用的減速度較大的情況下隨著阻尼的增加而減小，進而該機構對于振動頻率的靈敏度也會減小。容易忽視的一點是，由于振動會在振幅過大的情況下產(chǎn)生非線性效應，機構將不再輕易地持續(xù)出現(xiàn)共振。這將使得裝置更加難以維持在共振狀態(tài)。為了使裝置振動發(fā)電的輸出功率最大化，以下幾個方面值得注意：

（1）所設計的振動發(fā)電機系統(tǒng)的結構特點應與環(huán)境中的振動特點相配。在設計一個新的振動發(fā)電機時，應首要考慮該裝置所處環(huán)境的振動特性，如振幅、頻率等。輸出的功率反比于系統(tǒng)固有的角頻率。所以，在加速度的峰值隨著頻率減小或不變的情況下，應設計合理的機構進而降低該機構工作時的固有頻率，同時也要滿足機構的固有頻率在振源頻率的范圍內(nèi)的要求。

（2）盡可能增大裝置質(zhì)量塊的質(zhì)量，同時也滿足裝置要求的尺寸。

（3）使ζ盡可能小，同時也滿足裝置要求的尺寸。

3 結束語

該裝置通過接受樁基礎振動，采用永磁體內(nèi)置式結構的電磁式發(fā)電機。將機械能轉(zhuǎn)化為電能，在一定程度上提高了海上風機的發(fā)電效率。對于清潔能源的利用、推廣做出了貢獻。

同時還存在一定的問題：

（1）發(fā)電量較小，有待進一步實驗的進行，對線圈、永磁體的尺寸進行調(diào)整、改進。提高輸出電壓、能量轉(zhuǎn)化效率。

（2）需要通過實驗驗證增加該裝置后對風機樁基礎強度、穩(wěn)定性的影響。極其能量轉(zhuǎn)化后對樁基礎的保護效果。

（3）如裝置效率過低、在海上風機樁基礎上收益較低，可考慮將該裝置投入到其他領域。例如，地下通道置埋式振動發(fā)電、心臟起搏器微型電源等。

參考文獻

[1]楊曉光，汪友華，張波，等.一種新型振動發(fā)電機裝置及其建模與實驗研究[J].電工技術學報，2013，28（1）：113-116.

[2]王志華.超磁致伸縮式與永磁式振動發(fā)電的理論與實驗研究[D]. 河北工業(yè)大學.

[3]成化彩，張學義，史立偉，等.永磁體內(nèi)置式微型振動發(fā)電機的研 究[J].微電機，2010，45（1）：16-25.

作者簡介：張蕾（1995-），女，漢族，遼寧人，本科生。