徐 松， 王海峰

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

0 引 言

目前，海洋能資源的開發(fā)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(fā)電技術(shù)進行相關(guān)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(lǐng)先位置，并開展了多種機型及功率等級的樣機研發(fā)和海上試驗[3]。國內(nèi)的浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、東北師范大學(xué)、中國海洋大學(xué)等單位在該領(lǐng)域也開展了理論及試驗研究[4]。

目前，大多數(shù)傳統(tǒng)的潮流能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，均采用葉片連接傳動機構(gòu)帶動發(fā)電機發(fā)電的模式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)潮流能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，傳動機構(gòu)按不同的機型又可分為直驅(qū)軸、增速齒輪箱、液壓傳動裝置等。傳動機構(gòu)在整個系統(tǒng)中起著十分重要的能量傳遞作用。但傳動機構(gòu)的存在，也造成了長期工作于水下的潮流能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行可靠性下降、系統(tǒng)效率偏低等問題[4]。為了克服上述問題，相關(guān)學(xué)者提出了一種輪緣驅(qū)動型發(fā)電系統(tǒng)，將葉輪與發(fā)電機設(shè)計為一體化，無任何中間傳動環(huán)節(jié)。對比常規(guī)潮流能發(fā)電系統(tǒng)，該輪緣驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)電效率高、運行可靠性高。

1 輪緣發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

水下輪緣發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)將發(fā)電機與葉片集成為一個整體，發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝于葉片的葉尖處，故稱之為輪緣發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機稱為輪緣電機。系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)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(gòu)成的葉輪，實現(xiàn)對潮流動能的捕獲；輪緣電機則完成能量的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。其結(jié)構(gòu)特點如下： 葉輪與發(fā)電機為一體化設(shè)計，葉輪直接驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，中間無任何傳動環(huán)節(jié)。輪緣發(fā)電系統(tǒng)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(fā)生旋轉(zhuǎn)；葉輪帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機定子線圈切割磁場并將機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。

圖2 輪緣發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 葉輪能量捕獲基礎(chǔ)理論

當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)平面垂直于水流方向時，葉輪結(jié)構(gòu)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(shù)；

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(shù)一定的情況下，系統(tǒng)捕獲的能量PT正比于葉片掃流面積A。故系統(tǒng)設(shè)計時，在滿足系統(tǒng)性能的前提下，需要盡可能增大輪緣電機轉(zhuǎn)子內(nèi)徑以獲得較大的葉輪掃流面積，從而提高系統(tǒng)能量捕獲。

1.2 永磁同步電機基礎(chǔ)理論

輪緣發(fā)電機設(shè)計為永磁同步發(fā)電機，其磁路等效模型如圖3所示[6]。圖3中，F(xiàn)c為永磁體磁動勢源的計算磁動勢，F(xiàn)a為每對級磁路中的電樞磁動勢，Λ0、Λσ、Λδ分別為內(nèi)磁導(dǎo)、漏磁導(dǎo)和主磁導(dǎo)，φm、φσ、φδ分別為總磁通、漏磁通和主磁通。

圖3 永磁同步發(fā)電機等效磁路模型

輪緣發(fā)電系統(tǒng)為葉輪直接驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，忽略摩擦損耗，葉輪輸出的機械功率完全轉(zhuǎn)化為電機電磁功率Pe，即系統(tǒng)發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速ω關(guān)系出發(fā)，可將電磁轉(zhuǎn)矩Te表達為

Te=Peω-1

(4)

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

2 輪緣發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

從結(jié)構(gòu)功能上來說，輪緣發(fā)電系統(tǒng)由葉輪和電機兩部分組成,本文分別對葉輪及發(fā)電機的設(shè)計和特性進行討論。

2.1 水力葉輪設(shè)計及分析

輪緣驅(qū)動型潮流能發(fā)電系統(tǒng)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(dǎo)因子，b為切向速度誘導(dǎo)因子，Ω為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，r為某一位置葉片展長半徑。

葉輪在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計方法對水下發(fā)電系統(tǒng)的葉輪進行設(shè)計，葉片的能量捕獲系數(shù)可用式(7)表示。

(7)

式中：λ0——葉尖速比；

F——葉尖損失系數(shù)。

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

表1 輪緣發(fā)電系統(tǒng)葉輪設(shè)計參數(shù)

2.2 輪緣電機設(shè)計及分析

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

表2 輪緣電機設(shè)計參數(shù)

相比常規(guī)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(jié)構(gòu)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(tài)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(fā)電機的仿真模型和二維網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖5所示。

圖5 輪緣電機仿真模型及二維網(wǎng)格剖分結(jié)果

電機在額定負(fù)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(zhuǎn)子軛部及定子齒部，電機的漏磁較小。

圖6 額定負(fù)載下電機磁力線分布

電機在額定負(fù)載下的氣隙磁密分布如圖7所示。由圖7中可知，在額定負(fù)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(zhuǎn)矩波形如圖8所示。從仿真結(jié)果來看，電機起動時定位力矩較小，便于系統(tǒng)在低流速情況下直接起動。

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

從以上仿真結(jié)果可以看出此電機方案設(shè)計合理，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

3 系統(tǒng)樣機水下試驗

對輪緣發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)水下運行

系統(tǒng)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(zhuǎn)速如圖10～圖12所示。

圖10 系統(tǒng)輸出電壓波形圖

圖11 不同流速下系統(tǒng)功率

圖12 不同流速下系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖

從樣機系統(tǒng)的試驗運行結(jié)果可看出： 輪緣驅(qū)動型潮流能發(fā)電樣機系統(tǒng)輸出電壓波形具有較好的正弦度；發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速在水流3m/s時，超過200r/min，系統(tǒng)達到設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文研究討論了一種輪緣驅(qū)動型潮流能發(fā)電系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了系統(tǒng)能量的捕獲原理及輪緣驅(qū)動型永磁同步發(fā)電機發(fā)電理論，給出了系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)。使用有限元方法詳細分析了輪緣電機電磁特性及靜態(tài)特性，并對樣機系統(tǒng)開展了相關(guān)試驗研究。計算和試驗結(jié)果驗證了輪緣驅(qū)動型潮流能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方法正確合理，為下一步設(shè)計更大功率的輪緣驅(qū)動型潮流發(fā)電系統(tǒng)提供了理論和實踐指導(dǎo)。

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