波浪能发电装置设计论文

㈠ 波浪能的发电

波浪能发电是通过波浪能装置将波浪能首先转换为机械能(液压能)，然后再转换成电能。这一技术兴起于上世纪80年代初，西方海洋大国利用新技术优势纷纷展开实验。
波浪能具有能量密度高、分布面广等优点。它是一种取之不竭的可再生清洁能源。尤其是在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。小功率的波浪能发电，已在导航浮标、灯塔等获得推广应用。我国有广阔的海洋资源，波浪能的理论存储量为7000万千瓦左右，沿海波浪能能流密度大约为每米2千瓦~7千瓦。在能流密度高的地方，每1米海岸线外波浪的能流就足以为20个家庭提供照明。
波浪能 是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。波浪能是由风把能量传递给海洋而产生的，它实质上是吸收了风能而形成的。能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离（即风区）有关。水团相对于海平面发生位移时，使波浪具有势能，而水质点的运动，则使波浪具有动能。贮存的能量通过摩擦和湍动而消散，其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。深水海区大浪的能量消散速度很慢，从而导致了波浪系统的复杂性，使它常常伴有局地风和几天前在远处产生的风暴的影响。波浪可以用波高、波长（相邻的两个波峰间的距离）和波周期 （相邻的两个波峰间的时间）等特征来描述。波浪能的大小可以用海水起伏势能的变化来进行估算，即P=0.5TH2（P为单位波前宽度上的波浪功率，单位kw/m；T为波浪周期，单位s；H为波高，单位m，实际上波浪功率的大小还与风速、风向、连续吹风的时间、流速等诸多因素有关。)。
波浪发电是波浪能利用的主要方式，此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。波浪能利用的关键是波浪能转换装置。通常波浪能要经过三级转换：第一级为受波体，它将大海的波浪能吸收进来；第二级为中间转换装置，它优化第一级转换，产生出足够稳定的能量；第三级为发电装置，与其它发电装置类似。
南半球和北半球40°～60°纬度间的风力最强。信风区（赤道两侧30°之内）的低速风也会产生很有吸引力的波候，因为这里的低速风比较有规律。在盛风区和长风区的沿海，波浪能的密度一般都很高。例如，英国沿海、美国西部沿海和新西兰南部沿海等都是风区，有着特别好的波候。而我国的浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。
虽然大洋中的波浪能是难以提取的，因此可供利用的波浪能资源仅局限于靠近海岸线的地方。但即使是这样，在条件比较好的沿海区的波浪能资源贮量大概也超过2TW。据估计全世界可开发利用的波浪能达2.5TW。我国沿海有效波高约为2～3m、周期为9s的波列，波浪功率可达17～39kw/m，渤海湾更高达42kw/m。

㈡ 浅谈波浪能发电装置发电机优化设计

浅谈波浪能发电装置发电机优化设计

引言：发电机的三相输出接到风光互补控制器上，通过控制器可以得到48V的稳定电压，可将稳定的电能存储在蓄电池中。以下是我来浅谈波浪能发电装置发电机优化设计，希望对你们有帮助。

【论文摘要】 本文在上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”的基础上，对其发电机进行了优化设计，去掉了发电机和水轮机的中间转换装置，满足了海洋能直驱发电的形式，通过电机实验室性能测试验证了其可行性，提高了发电效率和可靠率，降低了维护成本，可以应用于实际生产中。

【关键词】浪流一体化;发电装置;发电机;优化设计;直驱发电

0 前言

上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”同时可以捕获波浪和海流的向前的推力，在接受到海洋能量之后产生惯性而发生连续转动;通过主轴带动发电机旋转而产生电能。为海洋观测、岛礁生活、海洋养殖、海水淡化等提供稳定的电能，并用于解决边远海域的国防设施、部分电网未覆盖的有居民海岛、偏远无居民海岛生态建设中的供电需求。本文以此发电装置为研究对象，对其水轮机匹配的发电机进行了优化设计，克服了传统的海洋能需要经过三个部分转换的缺点，没有齿轮箱，减少了传动损耗，采用发电机输出电压稳定控制器，实现了浪轮机的输出转速稳定，提高了发电效率，降低了运行维护成本。尤其是在低转速环境下，效果更加显著。

1 研究对象与方法

本项目设计的发电机是满足海洋能直驱发电形式的。然而，齿轮箱的存在却成为制约海洋能发电机组发展的因素之一：机组运行过程中齿轮箱一直处于高速旋转，增加了系统损耗，降低了能量利用率;海洋能发电机组往往安装在海平面或海水之中，经受严寒酷暑，海水腐蚀、温度变化大，环境条件恶劣，导致升速齿轮箱的工况严峻，维护保养工作量大;为了能适应恶劣的运行环境，齿轮箱毕竟造价昂贵，更由于海洋能能量多变，往往会造成过载，这样就更容易损坏齿轮箱，使得系统运行成本增大。

因此，本设计取掉了中间转换环节，水轮机主轴右端通过联轴器和电机连接在一起，直接带动电机发电，中间不经过任何环节，这就实现了绝对的直驱。本文研制海洋能直驱发电方式有以下几个方面优点：

(1)提高了发电效率高。直驱式发电没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低转速环境下，效果更加显著。

(2)提高了可靠性。直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件少，可靠性更高。

(3)运行及维护成本低。采用无齿轮直驱技术可减少发电机组装置零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

然而，这样的海洋能直驱发电方式就需要发电机具有低速运行的'特性，并且有较高的效率，更者要求发电机要能在海水中运行。

2 直驱发电机设计

2.1 直驱发电机结构设计

发电机采用盘式结构：波浪能单位体积所携带的能量有限，要能高效的收集这些能源，发电机则成为本装置中能源转换的关键设备之一。波浪能发电机，最多每分钟几百转，因此发电机的技术指标、经济性等决定本装置在市场中的竞争力。常用发电机分为盘式和圆柱式两种：圆柱式发电机的气隙磁场延轴向分布，要想获得较高的发电效率，圆柱式发电机必须运行在高速下，而盘式发电机的定转子为平行结构，克服了圆柱式发电机定子包容转子的结构缺点，轴向尺寸小，没有叠片和铆压工序，工艺好，因此盘式发电机可以运行在低速条件下。因此发电机选用盘式发电机结构，能够在低转速下达到额定功率，从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。

2.2 发电机输出电压稳定控制器设计

发电机的三相输出接到风光互补控制器上，通过控制器可以得到48V的稳定电压，可将稳定的电能存储在蓄电池中。控制器的原理是将输入的交流电流通过三相桥式全控整流电路转化成直流电流，直流电流通过升降压斩波电路将电压输出控制在48V。值得注意的是发电机转速达到54r/min控制器输出端才会有电流输出。控制器如图2所示，经过控制器流出的电流为直流，将控制器后面的电池组“+”“-”接到蓄电池的接口即可，反面细节如图3所示。

2.3 直驱电机工作原理

2.3.1 三相桥式全控整流电路

在三相桥式全控整流电路中，如图4所示，晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。

2.3.2 升降压斩波电路原理

如图5所示为升降压斩波电路原理，V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

3 实验分析

在实验室中模拟不同工况水流下轮机所具有的转数，并以可控转数电动机带动发电机测试其发电性能。为此，我们搭建了发电机测试平台。发电机测试平台如图7所示，通过机架将发电机固定，通过联轴器与传感器相连。在发电机测试平台中，右边是直流电动机，模拟水轮机的作用，作为动力的出入。通过联轴器与电动机相连的是传感器，这种传感器连接显示屏后可以看到瞬态的扭矩、转速、功率。其中功率可是为发电机的输入功率，这样我们测出输出功率后可以得到发电机的效率。电阻箱、整流器与扭矩仪如图8所示，扭矩仪上的3个显示屏即为扭矩、转速、功率。

发电机所发出的是三相交流电，三相交流电输入电子测试平台，通过电子测试平台，可以得到三相交流电的瞬态电压、电流、功率、功率因数。流出整流器的电流经过整流变为直流电流，流入功率计，并将滑动变阻箱串联到整个电路中。

4 电机方案总结与展望

方案采用直驱式发电形式不仅增加了发电效率，而且提高的发电装置的可靠性，无障碍运行时间满足了要求。发电机采用盘式发电机结构，其能够在低转速下达到额定功率，从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。装置发出的三相交流电通过控制器后，经实际测量，电压基本维持在48V左右，且为直流电，这将电能存储到蓄电池中提供了条件，并最终达到了我们的要求。

但是发电机组安装在海平面或海水之中，经受严寒酷暑，海水腐蚀、温度变化大，环境条件恶劣，容易遭受海水腐蚀，因此今后可以做的研究方向还有以下几个方面：

1)发电机本身要具有良好的机械密封设计，评估不同海水深度、压力下密封系统的可靠性。研究海水环流条件下，涉海材料在淤泥、深海、浅海、浪花飞溅、海雾等不同区域环境下，其腐蚀规律，设计相应的耐腐蚀材料;

2)发电机外部可增设防水箱，使发电机与海水具有了隔离层，不仅达到了防水的效果，也使发电机无需浸泡在海水中。

【参考文献】

[1]游亚戈.我国海洋波浪能的发展进展[J].中国科技成果，2006(2)：17-19.

[2]李允武.海洋能源开发[M].海洋出版社，2008.

[3]盛松伟，游亚戈，马玉久.一种波浪能实验装置水动力学分析与优化设计[J].海洋工程，2006，24(3)：107-112.

[4]张峰，游亚戈，吴必军，李甫杰.中国海洋能专利研究[J].可再生能源，2007，25(2)：79-81.