波浪发电装置中发电机优化设计的探讨

简介:发电机的三相输出接入风光互补控制器，通过它可以获得48V的稳定电压，并将稳定的电能储存在蓄电池中。下面简单说一下海浪发电厂发电机的优化设计，希望对你有所帮助。

本文是上海海洋大学开发的？波流一体化发电装置？在的基础上，对发电机进行了优化，去掉了发电机和涡轮机之间的中间转换装置，满足了海洋能直驱发电的形式。通过电机实验室的性能测试验证了可行性，提高了发电效率和可靠性，降低了维护成本，可应用于实际生产。

波流积分；发电装置；发电机；优化设计；直接驱动发电

0的前言

上海海洋大学开发的？波流一体化发电装置？同时能捕捉波浪和海流的向前推力，接收海洋能后产生惯性和持续旋转；主轴带动发电机旋转产生电能。为海洋观测、岛礁生活、海水养殖、海水淡化等提供稳定的电能。，用于解决偏远海域、部分电网未覆盖的有人居住海岛、偏远无居民海岛国防设施生态建设中的供电需求。本文以该发电机为研究对象，对其涡轮匹配发电机进行优化设计，克服了传统海洋能需要分三部分转换的缺点，并且由于没有变速箱，降低了传输损耗。采用本发明的发电机输出电压稳定控制器，稳定了波轮的输出速度，提高了发电效率，降低了运行维护成本。尤其是在低速环境下，效果更加明显。

1的研究对象和方法

本项目设计的发电机满足海洋能直驱发电的要求。然而，齿轮箱的存在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中，经受严寒酷暑、海水腐蚀、温度变化大、环境条件恶劣，导致增速齿轮箱工作条件恶劣，维护工作量大；为了适应恶劣的运行环境，变速箱毕竟价格昂贵，而且由于海洋能多变，经常会造成过载，更容易损坏变速箱，增加系统运行成本。

所以这种设计去掉了中间的转换环节，水轮机主轴右端通过联轴器与电机相连，直接驱动电机发电，中间没有任何环节，实现了绝对直驱。本文开发的直驱发电模式具有以下优点:

(1)提高发电效率。直驱发电没有变速箱，减少了传动损失，提高了发电效率，尤其是在低速环境下。

(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。同时机组低速运行，转动部件少，可靠性高。

(3)运行维护成本低。采用无齿轮直驱技术可以减少发电机组零部件数量，避免定期更换齿轮箱油，降低运行维护成本。

但是，这样一种海洋能直驱发电方式，要求发电机具有低速运行、高效率的特点，更要求发电机能够在海水中运行。

直驱发电机的设计

2.1直驱发电机的结构设计

发电机采用圆盘结构:单位体积的波浪能所携带的能量是有限的，为了高效地收集这些能量，发电机成为该装置中能量转换的关键设备之一。波浪能发电机，每分钟最多几百转，所以发电机的技术指标和经济性决定了这种设备在市场上的竞争力。常用的发电机有两种:圆柱形发电机的气隙磁场沿轴向分布。为了获得高的发电效率，圆柱形发电机必须高速运行，而盘式发电机的定子和转子为并联结构，克服了圆柱形发电机的结构缺点，轴向尺寸小，无叠片铆接工序，工艺性好，所以盘式发电机可以低速运行。因此，发电机采用盘式发电机结构，可以在低速时达到额定功率，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的设计

发电机的三相输出接入风光互补控制器，通过风光互补控制器可以获得48V的稳定电压，并将稳定的电能储存在蓄电池中。控制器的原理是通过三相桥式全控整流电路将输入的交流电流转换成DC电流，DC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，控制器的输出端会有电流输出。控制器如图2所示，流经控制器的电流是DC，它连接控制器后面的电池组。+-?只需连接电池的接口，反面细节如图3所示。

2.3直接驱动工作原理

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，晶体管KP5和KP2接C相..晶闸管KP1、KP3和KP5形成阴极组，而晶闸管KP2、KP4和KP6形成阳极组。

2.3.2升压和降压斩波电路原理

图5显示了升压和降压斩波电路的原理。当V导通时，电源E通过V给L供电储能，此时的电流为i1。同时C保持输出电压不变，给负载r供电，当V关断时，L的能量释放给负载，电流为i2。负载电压的极性上为负，下为正，与电源电压的极性相反。该电路也称为反极性斩波电路。

3实验分析

在实验室中，模拟汽轮机在不同工况下的转数，用可控速电机驱动发电机，测试其发电性能。为此，我们搭建了一个发电机测试平台。发电机测试平台如图7所示，通过框架固定发电机，通过联轴器与传感器连接。在发电机测试平台中，右侧是一个DC电机，它模拟水轮机作为动力源的作用。通过联轴器连接到电机的是传感器，连接到显示屏后可以看到瞬间的扭矩、转速和功率。功率可以是发电机的输入功率，这样我们测量输出功率后就可以得到发电机的效率。电阻箱、整流器和扭矩计如图8所示。扭矩表上的三个显示屏是扭矩、速度和功率。

发电机发出三相交流电，输入电子测试平台。通过电子测试平台，可以获得三相交流电的瞬态电压、电流、功率和功率因数。整流器流出的电流被整流成DC电流，流入功率表，将滑动变阻器箱串联到整个电路中。

4电机方案总结与展望

该方案采用直驱发电方式，既提高了发电效率，又提高了发电装置的可靠性，满足无障碍运行时间的要求。发电机采用盘式发电机结构，低速即可达到额定功率，满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求，提高了效率。装置产生的三相交流电经过控制器后，实测显示电压基本维持在48V左右，是直流电，为蓄电池储存电能提供了条件，最终满足我们的要求。

但发电机组安装在海平面或海水中，受严寒酷暑、海水腐蚀、温度变化大、环境条件恶劣等影响，容易遭受海水腐蚀。所以未来可以做的研究方向如下:

1)发电机本身要有良好的机械密封设计，评估密封系统在不同海水深度和压力下的可靠性。在海水循环条件下，研究了涉海材料在淤泥、深海、浅海、浪花飞溅、海雾等不同区域环境中的腐蚀规律，设计了相应的耐腐蚀材料。

2)可以在发电机外部加一个防水箱，使发电机有一层与海水的隔离层，既达到了防水的效果，又使发电机不需要浸泡在海水中。

参考

你是戈雅。中国海洋波浪能开发进展[J].中国科技成果，2006 (2): 17-19。

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盛，尤，马玉久。一种波浪能实验装置的流体力学分析与优化设计[J].海洋工程，2006，24(3):107-112。

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