緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)的探究

謝 嘉，王世明，高中勇，高艾琳，吳燕翔

（上海海洋大學(xué) 上海201306）

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 人類對資源的需求量越來越大，我國正處在向工業(yè)化轉(zhuǎn)型的關(guān)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(guān)注。 浩瀚的海洋蘊(yùn)藏著巨大的能量，海洋總面積達(dá)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(lán)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(shù)上允許利用的海洋能約64億kW[1-2]，海洋能開發(fā)利用的主要方式是利用海洋能進(jìn)行發(fā)電。 世界上大多數(shù)國家都對海洋能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)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(fā)電系統(tǒng)在實(shí)用性和高效性方面至今未能有很大的突破，從而還未能達(dá)到很好的產(chǎn)業(yè)化[8]。 為此從海洋能特性的實(shí)際出發(fā)，研究從能量捕獲、高效轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)到綜合集成的緊湊高效的機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)， 將具有很大的理論價值和實(shí)際意義。

1 傳統(tǒng)海洋能發(fā)電系統(tǒng)存在的問題及應(yīng)對策略

海洋能的特點(diǎn)可總結(jié)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(wěn)定性，應(yīng)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(fā)利用的困難。 傳統(tǒng)的海洋能發(fā)電系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換部分幾乎都包括三個環(huán)節(jié)， 即第一級轉(zhuǎn)換完成海洋能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換， 最終轉(zhuǎn)換完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，第一級轉(zhuǎn)換和最終轉(zhuǎn)換之間部分稱為中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，其是第一級轉(zhuǎn)換和最終轉(zhuǎn)換之間的橋梁， 一般要能起到傳輸能量、穩(wěn)向、增速和穩(wěn)速的作用。 其中增速和穩(wěn)速是為了適應(yīng)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)而設(shè)置的，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)需要高速運(yùn)行，同時速度要穩(wěn)定，這樣才能輸出穩(wěn)定幅值和頻率的交流電能。這個思路和傳統(tǒng)的水輪機(jī)以及汽輪機(jī)發(fā)電相同， 都是設(shè)法調(diào)整發(fā)電機(jī)之前的相關(guān)參數(shù)，最終滿足發(fā)電機(jī)的輸入要求，而發(fā)電機(jī)本身不做適應(yīng)低速和不穩(wěn)速度的研究和設(shè)計(jì)。 這樣傳統(tǒng)海洋能發(fā)電系統(tǒng)就存在如下一些問題：

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

2) 中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)完全是為了適應(yīng)后面發(fā)電機(jī)的運(yùn)行需求而設(shè)置的，在整個海洋能轉(zhuǎn)換過程中其實(shí)是個多余的部分，其耗能大，而且維護(hù)壓力大。

3)發(fā)電機(jī)幾乎都是購買現(xiàn)成的系列產(chǎn)品，其必須在滿足額定輸入要求的前提下才能高效運(yùn)行，否則效率低下。

4)整體控制效能低，遠(yuǎn)程監(jiān)控也比較薄弱。

上述問題體現(xiàn)出在傳統(tǒng)海洋能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往各自為政，沒有整體的考慮系統(tǒng)。 首先，第一級轉(zhuǎn)換部分的海洋能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換不必要追求其輸出能量形式的高質(zhì)量，因?yàn)閷敵瞿芰啃问礁哔|(zhì)量的追求勢必會影響海洋能量的捕捉能力及其高效轉(zhuǎn)換能力； 其次， 中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)完全可以去掉，這樣將會提高整個系統(tǒng)的效率，減少系統(tǒng)維護(hù)量；最后，最終轉(zhuǎn)換中用于海洋能發(fā)電的發(fā)電機(jī)要能全方位接受不同質(zhì)量的機(jī)械能輸出形式，并且能將其高效轉(zhuǎn)換成電能，高質(zhì)量的電能輸出形式由高效的二次電-電能量轉(zhuǎn)換方式來最終獲得；同時，對整個系統(tǒng)要進(jìn)行有效監(jiān)控和整體控制，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的功能。 可以看出上述針對傳統(tǒng)海洋能發(fā)電系統(tǒng)問題的應(yīng)對策略將矛盾分散化了， 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的各個部分既各自發(fā)揮自己的最大優(yōu)勢、高效完成自己的主要任務(wù)，又各部分之間有機(jī)結(jié)合，以最終實(shí)現(xiàn)海洋能的高效轉(zhuǎn)換，并得到優(yōu)質(zhì)的輸出電能形式。

2 緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上節(jié)對傳統(tǒng)海洋能發(fā)電系統(tǒng)存在問題分析所產(chǎn)生的應(yīng)對策略，就構(gòu)成了緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中各個環(huán)節(jié)主要功能如下：

圖1 緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of mechanical-electrical ocean energy generation system

1)能量捕獲和能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，它們構(gòu)成海洋能轉(zhuǎn)化的第一級轉(zhuǎn)換部分，用于將海洋能轉(zhuǎn)化成一種機(jī)械運(yùn)動，可以是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動也可以是直線運(yùn)動。 這部分要完全適應(yīng)海洋能的實(shí)際運(yùn)行形式，以保證海洋能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化效率。

2)高效自適應(yīng)發(fā)電機(jī)，用于將前面第一級轉(zhuǎn)換獲得的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能， 該發(fā)電機(jī)可以根據(jù)前面能量的大小和頻率的變化自動調(diào)整其本身發(fā)電單元的多少， 從而使得該發(fā)電機(jī)始終在高效、高輸出幅值的狀態(tài)下運(yùn)行，保證機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)化效率。

3)二次電-電能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，其包括3 個部分。 ①整流穩(wěn)壓部分將發(fā)電機(jī)發(fā)出的幅值和頻率變化的電能經(jīng)過整流和穩(wěn)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(tài)，以適應(yīng)前面發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。②直流電壓綜合穩(wěn)定部分將多個分散的發(fā)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(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)其輸出電壓的穩(wěn)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(diào)整系數(shù)， 以保證輸出電壓穩(wěn)定在要求數(shù)值上。 ③逆變電路用于將前面獲得的穩(wěn)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(fù)載或并網(wǎng)的要求，需要對其輸出進(jìn)行控制，可以采用PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

4)中央控制單元用于對整個發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，并和其他發(fā)電裝置交換信息，以便協(xié)調(diào)工作，同時通過無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的信息交互， 從而將該發(fā)電系統(tǒng)的工作情況和整個發(fā)電網(wǎng)絡(luò)共享，并接受遠(yuǎn)程控制。

3 緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)具備的特點(diǎn)

根據(jù)上節(jié)對緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)功能的分析，可以看出系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

1)能量捕獲環(huán)節(jié)能最大限度的捕捉到海洋能。 為了達(dá)到這個目的，只需唯一實(shí)現(xiàn)把海洋能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能就行，可以不追求捕獲到的能量質(zhì)量，比如運(yùn)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(jī)械能的轉(zhuǎn)換簡捷高效。 能量轉(zhuǎn)換的簡捷高效才能提高能量轉(zhuǎn)換的效率，徹底去掉中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，第一級轉(zhuǎn)換甚至可以簡化成僅僅就是能量捕獲環(huán)節(jié)或者只加些非常簡單的能量傳輸。

3)發(fā)電機(jī)能寬范圍的高效的將不同質(zhì)量的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電機(jī)能自動適應(yīng)第一級轉(zhuǎn)換輸出的機(jī)械能形式，將其幅度、頻率和能量大小變化的機(jī)械能高效的轉(zhuǎn)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(tǒng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路，需要進(jìn)行創(chuàng)新型設(shè)計(jì)。比如：①發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)（動）子的模塊化設(shè)計(jì)以適應(yīng)機(jī)械能量形式的變化； ②電樞線圈空間的最大設(shè)計(jì)以獲得高的電流輸出能力， 從而適應(yīng)轉(zhuǎn)換能量的高低變化；③定、轉(zhuǎn)（動）子齒形的優(yōu)化設(shè)計(jì)以適應(yīng)機(jī)械運(yùn)動幅度、頻率的變化，并能將其攜帶的能量最大限度的轉(zhuǎn)換成電能形式；④發(fā)電機(jī)極對數(shù)盡可能多，以實(shí)現(xiàn)在輸入機(jī)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(yīng)海洋能轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)， 對其機(jī)電能量轉(zhuǎn)換電磁場媒介特性的深入研究是關(guān)鍵， 這是設(shè)計(jì)出高性能適應(yīng)海洋能轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)。

4)機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)電機(jī)緊湊融為一體。 發(fā)電機(jī)本身就是一個機(jī)電一體化裝置，對于適應(yīng)海洋能轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，不能被傳統(tǒng)的電機(jī)形式所禁錮。比如設(shè)計(jì)成直線型，動子就是能量捕獲環(huán)節(jié)的運(yùn)動部分， 將發(fā)電機(jī)定子和能量捕獲環(huán)節(jié)的運(yùn)動部分一體設(shè)計(jì)，這樣就達(dá)到了最簡化。如果采用旋轉(zhuǎn)的形式，可以把發(fā)電機(jī)直接做在機(jī)械部分的旋轉(zhuǎn)軸上，或者就做成輪轂的形式。另外可以從發(fā)電的基本原理出發(fā)研究發(fā)電機(jī)，比如采用磁流體發(fā)電，其將導(dǎo)電流體(氣、液體)以一定的速度垂直通過磁場，從而感應(yīng)電動勢產(chǎn)生電功率，其將機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)電機(jī)緊湊融為了一體。 上述的緊湊結(jié)合形式顯然能很好的提高效率。

5)采用二次電-電能量轉(zhuǎn)換獲得高質(zhì)量電能。 前述發(fā)電機(jī)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(wǎng)。 通過二次電-電能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行整流、穩(wěn)壓、綜合和逆變就能最終獲得高質(zhì)量的電能形式， 提供給用戶或者并上電網(wǎng)。 電-電能量轉(zhuǎn)換本身效率很高，其在功能上代替了傳統(tǒng)海洋能發(fā)電系統(tǒng)中中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的功能，顯然提高了效率，并將矛盾分散化。在海洋能發(fā)電系統(tǒng)中，不用先考慮電能的幅值、頻率等問題，只需考慮轉(zhuǎn)換效率最大即可，電能質(zhì)量問題由高效的二次電-電能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)完成。

6) 緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)的綜合控制能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。 整個系統(tǒng)要高效運(yùn)行，必須實(shí)時監(jiān)控、判斷和實(shí)時綜合控制，這由圖1 中的中央控制單元實(shí)現(xiàn)。 同時，許多大型的海洋能電場一般都分布在比較偏遠(yuǎn)的、 海況差的地區(qū)，每一個海洋能電場中的發(fā)電機(jī)組的數(shù)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(yuǎn)程地對海洋能發(fā)電機(jī)組的各個參數(shù)進(jìn)行檢測和控制。 綜合控制能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控可以做成一個完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)， 在緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)中利用計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，這可以有效地實(shí)現(xiàn)對海洋能發(fā)電的控制，還可以實(shí)現(xiàn)對整個范圍的控制。

4 緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)的幾種發(fā)展方向

和傳統(tǒng)海洋能發(fā)電系統(tǒng)相比， 緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)主要在發(fā)電機(jī)方面有重大的突破， 主要有3 種形式：1）高效的能夠適應(yīng)直驅(qū)運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；2）高效直線發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；3）磁流體發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

4.1 高效直驅(qū)運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

上海海洋大學(xué)在國家海洋局項(xiàng)目" 面向?qū)崟r傳輸海床基的波浪能供電關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)" 中所研制的波浪能發(fā)電系統(tǒng)就是典型的緊湊高效型機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)。 其采用直驅(qū)方式將水輪機(jī)捕獲到的能量直接傳遞給盤式發(fā)電機(jī)， 發(fā)電機(jī)輸出電能經(jīng)整流穩(wěn)壓裝置后輸入電網(wǎng)或用于蓄電池充電。在整個過程中，有聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控裝置對系統(tǒng)的電壓、電流、功率和相位角等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并傳遞給管理控制中心。 圖2是項(xiàng)目研制的臥式浪流發(fā)電裝置輪機(jī)模型。

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

發(fā)電裝置模型主要由5 個機(jī)翼、1 根主軸、2 個輪輻、1 個機(jī)架及發(fā)電機(jī)等組成。 圖中2 為機(jī)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(jī)架由軸承連接在一起，右端通過聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)連接在一起，直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，減少能量的損耗。該發(fā)電系統(tǒng)在廈門海域進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，項(xiàng)目獲得了豐碩的成果，現(xiàn)在已經(jīng)結(jié)題。 發(fā)電系統(tǒng)入水畫面如圖3 所示。

4.2 高效直線發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

直線發(fā)電機(jī)可以看成是將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開展成平面而成。它可以直接將直線運(yùn)動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，中間不需要任何傳動裝置。 由傳統(tǒng)電機(jī)定子演變而來的稱為初級（或仍然叫定子），轉(zhuǎn)子演變而來的稱為次級（動子）。在實(shí)際應(yīng)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(fā)電機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)相似，在海洋能發(fā)電系統(tǒng)中，一般將直線發(fā)電機(jī)制造成永磁發(fā)電機(jī)，采用永磁體建立氣隙磁場。

圖3 廈門海試實(shí)驗(yàn)圖Fig. 3 Experiment at Xiamen sea

在海洋能發(fā)電系統(tǒng)中，采用永磁直線發(fā)電機(jī)，可以將能量捕獲環(huán)節(jié)及簡單機(jī)械變換獲得的直線運(yùn)動直接傳遞到直線發(fā)電機(jī)的動子上，去掉中間傳遞環(huán)節(jié)，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，并且降低了系統(tǒng)的造價。

4.3 磁流體發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

磁流體發(fā)電的研究始于20 世紀(jì)50 年代末，被認(rèn)為是最現(xiàn)實(shí)可行、最有競爭力的直接發(fā)電方式。磁流體發(fā)電機(jī)又稱為等離子發(fā)電機(jī)， 是利用超高溫下的導(dǎo)電流體與強(qiáng)磁場相互作用產(chǎn)生電能的一種發(fā)電設(shè)備。 在幾千度的高溫下， 一些物質(zhì)（加熱燃料、惰性氣體、堿金屬蒸氣）中的原子和電子會強(qiáng)烈運(yùn)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?yōu)閹д姷牧Ｗ?。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(qiáng)磁場的通道里，帶電粒子在洛侖磁力的作用下，正負(fù)粒子分別向磁場兩級聚攏，于是極板之間產(chǎn)生電壓，其外接負(fù)載就能當(dāng)做電源使用。

利用磁流體發(fā)電，只要加快帶電流體的噴射速度，增加磁場強(qiáng)度，就能提高發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)功率達(dá)到1000 萬kW，這就滿足了一些需要大功率電力的場合。 現(xiàn)在磁流體發(fā)電機(jī)制造中的主要問題是發(fā)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(xué)燒蝕等，目前所用材料的壽命都比較短，因而磁流體發(fā)電機(jī)不能長時間運(yùn)行。

目前有一種液態(tài)金屬磁流體波浪能發(fā)電系統(tǒng)，它是將磁流體發(fā)電機(jī)與波浪能發(fā)電相結(jié)合的一種新型發(fā)電方式。 該發(fā)電系統(tǒng)是采用振蕩浮子的形式來驅(qū)動液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)， 因?yàn)橐簯B(tài)金屬的阻力特性可以和波浪的運(yùn)動特性很好地耦合，所以省去了中間機(jī)械轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，避免了能量損失又降低了成本。缺點(diǎn)是液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)存在端部效應(yīng)，在換向的過程中也會有一定的能量損失。

5 結(jié)論

盡管我國擁有豐富的海洋能資源，但海洋能到電能的轉(zhuǎn)換效率低成為阻礙海洋能利用的主要障礙。 為此應(yīng)該讓能量捕獲、高效轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)發(fā)揮自己的最大優(yōu)勢，高效完成自己環(huán)節(jié)的主要功能，同時又要把它們有機(jī)整合起來，并且使得整個系統(tǒng)緊湊高效，這樣獲得的機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)將會在海洋能發(fā)電方面獲得重大的突破。文中的研究表明，該緊湊高效機(jī)電一體化海洋能發(fā)電系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是適應(yīng)海洋能運(yùn)動特性發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的理論研究和創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，該類發(fā)電機(jī)應(yīng)該具有低速、高能量密度和高效能量轉(zhuǎn)換的特性。今后在海洋能發(fā)電研究方面，面向海洋能轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研究將是一個重要方向， 對其的深入研究將具有很好發(fā)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(chǔ)性的支撐作用， 研究所獲得的設(shè)計(jì)理論和研究成果將有利于我國對海洋能的利用， 將會產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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