徐 松， 王海峰

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

0 引 言

目前，海洋能資源的開(kāi)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(duì)潮流能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行相關(guān)討論。英國(guó)、美國(guó)、加拿大等國(guó)在潮流能方面的研究一直處于世界領(lǐng)先位置，并開(kāi)展了多種機(jī)型及功率等級(jí)的樣機(jī)研發(fā)和海上試驗(yàn)[3]。國(guó)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(guó)海洋大學(xué)等單位在該領(lǐng)域也開(kāi)展了理論及試驗(yàn)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(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)按不同的機(jī)型又可分為直驅(qū)軸、增速齒輪箱、液壓傳動(dòng)裝置等。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的能量傳遞作用。但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在，也造成了長(zhǎng)期工作于水下的潮流能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行可靠性下降、系統(tǒng)效率偏低等問(wèn)題[4]。為了克服上述問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者提出了一種輪緣驅(qū)動(dòng)型發(fā)電系統(tǒng)，將葉輪與發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為一體化，無(wú)任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。對(duì)比常規(guī)潮流能發(fā)電系統(tǒng)，該輪緣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)電效率高、運(yùn)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(jī)與葉片集成為一個(gè)整體，發(fā)電機(jī)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(jī)稱為輪緣電機(jī)。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(jī)兩部分。能量捕獲裝置是由多個(gè)葉片構(gòu)成的葉輪，實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流動(dòng)能的捕獲；輪緣電機(jī)則完成能量的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： 葉輪與發(fā)電機(jī)為一體化設(shè)計(jì)，葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，中間無(wú)任何傳動(dòng)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(lái)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(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)定子線圈切割磁場(chǎng)并將機(jī)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(shí)，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(jì)時(shí)，在滿足系統(tǒng)性能的前提下，需要盡可能增大輪緣電機(jī)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(jī)基礎(chǔ)理論

輪緣發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為永磁同步發(fā)電機(jī)，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(dòng)勢(shì)源的計(jì)算磁動(dòng)勢(shì)，F(xiàn)a為每對(duì)級(jí)磁路中的電樞磁動(dòng)勢(shì)，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(jī)等效磁路模型

輪緣發(fā)電系統(tǒng)為葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，忽略摩擦損耗，葉輪輸出的機(jī)械功率完全轉(zhuǎn)化為電機(jī)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(jī)電樞電流具有較好的正弦性，輪緣電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te可用式(3)表示[7]。

(3)

式中，kw1——基波磁動(dòng)勢(shì)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(jī)氣隙直徑；

L——鐵心軸向有效長(zhǎng)度；

ψ——電角度。

從電機(jī)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(dá)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(jī)轉(zhuǎn)速反比于氣隙直徑的平方。針對(duì)直驅(qū)型的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，往往額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)得較低，而輪緣發(fā)電機(jī)徑向尺寸較大，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jì)

從結(jié)構(gòu)功能上來(lái)說(shuō)，輪緣發(fā)電系統(tǒng)由葉輪和電機(jī)兩部分組成,本文分別對(duì)葉輪及發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和特性進(jìn)行討論。

2.1 水力葉輪設(shè)計(jì)及分析

輪緣驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)半徑。

葉輪在旋轉(zhuǎn)中，水流速度相對(duì)葉輪而言是軸向速度和切向速度的合成速度，相對(duì)來(lái)流速度W可表示為

相對(duì)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(lái)流速度的比。

采用Wilson葉片設(shè)計(jì)方法對(duì)水下發(fā)電系統(tǒng)的葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 輪緣發(fā)電系統(tǒng)葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 輪緣電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)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(kuò)大電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑以增加葉片掃流面積。電機(jī)安裝于葉片輪緣處，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子內(nèi)徑大而軸向尺寸小。由于電機(jī)氣隙內(nèi)直接通過(guò)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(jì)值較常規(guī)電機(jī)大。輪緣電機(jī)設(shè)計(jì)為三相永磁同步電機(jī)，為降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 輪緣電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

相比常規(guī)電機(jī)而言，本文所研究的輪緣電機(jī)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(jī)。本文采用有限元方法計(jì)算輪緣電機(jī)的磁場(chǎng)特性和靜態(tài)特性，使用Ansoft/Maxwell電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)輪緣電機(jī)進(jìn)行建模和仿真分析。輪緣發(fā)電機(jī)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(jī)仿真模型及二維網(wǎng)格剖分結(jié)果

電機(jī)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(jī)的漏磁較小。

圖6 額定負(fù)載下電機(jī)磁力線分布

電機(jī)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(chǎng)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(jī)氣隙磁密分布圖

電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。從仿真結(jié)果來(lái)看，電機(jī)起動(dòng)時(shí)定位力矩較小，便于系統(tǒng)在低流速情況下直接起動(dòng)。

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

從以上仿真結(jié)果可以看出此電機(jī)方案設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)樣機(jī)水下試驗(yàn)

對(duì)輪緣發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)開(kāi)展了水下試驗(yàn)。水下樣機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行圖片如圖9所示。

圖9 輪緣發(fā)電系統(tǒng)水下運(yùn)行

系統(tǒng)輸出電壓波形、不同水流速度下試驗(yàn)樣機(jī)功率，以及不同流速下試驗(yàn)樣機(jī)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(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果可看出： 輪緣驅(qū)動(dòng)型潮流能發(fā)電樣機(jī)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(shí)，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(shí)，超過(guò)300W;樣機(jī)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在水流3m/s時(shí)，超過(guò)200r/min，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究討論了一種輪緣驅(qū)動(dòng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)，詳細(xì)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(dòng)型永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電理論，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。使用有限元方法詳細(xì)分析了輪緣電機(jī)電磁特性及靜態(tài)特性，并對(duì)樣機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了輪緣驅(qū)動(dòng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法正確合理，為下一步設(shè)計(jì)更大功率的輪緣驅(qū)動(dòng)型潮流發(fā)電系統(tǒng)提供了理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

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