轮缘驱动型潮流能发电系统的设计与试验

徐 松， 王海峰

(1. 中国科学院 电工研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

目前，海洋能资源的开发形式主要有： 潮流能、波浪能、温差能、盐差能等[1，2]。本文主要针对潮流能发电技术进行相关讨论。英国、美国、加拿大等国在潮流能方面的研究一直处于世界领先位置，并开展了多种机型及功率等级的样机研发和海上试验[3]。国内的浙江大学、哈尔滨工程大学、东北师范大学、中国海洋大学等单位在该领域也开展了理论及试验研究[4]。

目前，大多数传统的潮流能发电系统结构与风力发电系统结构类似，均采用叶片连接传动机构带动发电机发电的模式，其结构示意图如图1所示。

图1 传统潮流能发电系统结构示意图

在传统结构中，传动机构按不同的机型又可分为直驱轴、增速齿轮箱、液压传动装置等。传动机构在整个系统中起着十分重要的能量传递作用。但传动机构的存在，也造成了长期工作于水下的潮流能发电系统结构复杂、运行可靠性下降、系统效率偏低等问题[4]。为了克服上述问题，相关学者提出了一种轮缘驱动型发电系统，将叶轮与发电机设计为一体化，无任何中间传动环节。对比常规潮流能发电系统，该轮缘驱动系统结构简单、发电效率高、运行可靠性高。

1 轮缘发电系统结构及工作原理

水下轮缘发电系统结构如图2所示。该系统将发电机与叶片集成为一个整体，发电机转子安装于叶片的叶尖处，故称之为轮缘发电系统，发电机称为轮缘电机。系统从功能结构上可以分为能量捕获装置和轮缘电机两部分。能量捕获装置是由多个叶片构成的叶轮，实现对潮流动能的捕获；轮缘电机则完成能量的转化，实现机械能转化为电能输出。其结构特点如下： 叶轮与发电机为一体化设计，叶轮直接驱动发电机旋转，中间无任何传动环节。轮缘发电系统工作原理： 具有一定流速的洋流冲击叶片，受来流冲击的叶片在不同的升力和阻力作用发生旋转；叶轮带动发电机转子旋转，发电机定子线圈切割磁场并将机械能转化为电能输出。

图2 轮缘发电系统结构示意图

1.1 叶轮能量捕获基础理论

当叶轮旋转平面垂直于水流方向时，叶轮结构从洋流中所捕获的功率PT可用式(1)表示[5]。

(1)

式中：Cp——叶轮能量捕获系数；

A——叶轮扫流面积；

ρ——海水密度；

v——水流流速。

从式(1)可看出，在其他参数一定的情况下，系统捕获的能量PT正比于叶片扫流面积A。故系统设计时，在满足系统性能的前提下，需要尽可能增大轮缘电机转子内径以获得较大的叶轮扫流面积，从而提高系统能量捕获。

1.2 永磁同步电机基础理论

轮缘发电机设计为永磁同步发电机，其磁路等效模型如图3所示[6]。图3中，Fc为永磁体磁动势源的计算磁动势，Fa为每对级磁路中的电枢磁动势，Λ0、Λσ、Λδ分别为内磁导、漏磁导和主磁导，φm、φσ、φδ分别为总磁通、漏磁通和主磁通。

图3 永磁同步发电机等效磁路模型

轮缘发电系统为叶轮直接驱动发电机旋转发电，忽略摩擦损耗，叶轮输出的机械功率完全转化为电机电磁功率Pe，即系统发电功率可用式(2)表示。

永磁同步电机电枢电流具有较好的正弦性，轮缘电机的电磁转矩Te可用式(3)表示[7]。

(3)

式中，kw1——基波磁动势绕组因素；

AL——电枢电流密度；

B1——定子表面基波磁密峰值；

D——电机气隙直径；

L——铁心轴向有效长度；

ψ——电角度。

从电机电磁功率和转速ω关系出发，可将电磁转矩Te表达为

Te=Peω-1

(4)

由式(3)及式(4)可知，电磁转矩正比于气隙直径的平方，即在发电功率一定的情况下，发电机转速反比于气隙直径的平方。针对直驱型的发电机结构特点，往往额定转速设计得较低，而轮缘发电机径向尺寸较大，其结构特点满足直驱型发电系统低速大转矩的特性要求。

2 轮缘发电系统设计

从结构功能上来说，轮缘发电系统由叶轮和电机两部分组成,本文分别对叶轮及发电机的设计和特性进行讨论。

2.1 水力叶轮设计及分析

轮缘驱动型潮流能发电系统的叶轮由多片叶片组成，叶片某一位置处的翼型截面如图4所示。

图4 翼型截面

图4中，v为水流速度,a为轴向速度诱导因子，b为切向速度诱导因子，Ω为叶片旋转角速度，r为某一位置叶片展长半径。

叶轮在旋转中，水流速度相对叶轮而言是轴向速度和切向速度的合成速度，相对来流速度W可表示为

相对流速速度与叶轮旋转平面的夹角φ为

(6)

式中：λ——切向速度与来流速度的比。

采用Wilson叶片设计方法对水下发电系统的叶轮进行设计，叶片的能量捕获系数可用式(7)表示。

(7)

式中：λ0——叶尖速比；

F——叶尖损失系数。

选取NACA-634xx系列为叶片基本翼型，得到等宽叶片设计参数，如表1所示。

表1 轮缘发电系统叶轮设计参数

2.2 轮缘电机设计及分析

在轮缘发电系统中，为了能够增加系统能量的捕获，需要在满足电机电磁性能的情况下，降低定转子磁轭、槽深等尺寸，尽可能的扩大电机转子内径以增加叶片扫流面积。电机安装于叶片轮缘处，其结构特点是转子内径大而轴向尺寸小。由于电机气隙内直接通过海水，需要考虑定子线圈及转子永磁体密封防腐等因素，故气隙设计值较常规电机大。轮缘电机设计为三相永磁同步电机，为降低发电机转矩脉动及改善电压波形，定子采用了分数槽绕组及斜槽措施。电机设计参数如表2所示。

表2 轮缘电机设计参数

相比常规电机而言，本文所研究的轮缘电机径向尺寸较大而轴向尺寸较小，是一种典型的扁平结构的电机。本文采用有限元方法计算轮缘电机的磁场特性和静态特性，使用Ansoft/Maxwell电磁场分析软件对轮缘电机进行建模和仿真分析。轮缘发电机的仿真模型和二维网格剖分结果如图5所示。

图5 轮缘电机仿真模型及二维网格剖分结果

电机在额定负载下的磁力线分布如图6所示。由图6中可知，磁力线合理地分布于定转子轭部及定子齿部，电机的漏磁较小。

图6 额定负载下电机磁力线分布

电机在额定负载下的气隙磁密分布如图7所示。由图7中可知，在额定负载气隙磁场分布具有较好的正弦分布，有利于减少输出电压的谐波分量。

图7 电机气隙磁密分布图

电机齿槽转矩波形如图8所示。从仿真结果来看，电机起动时定位力矩较小，便于系统在低流速情况下直接起动。

图8 齿槽转矩波形

从以上仿真结果可以看出此电机方案设计合理，各项指标满足设计要求。

3 系统样机水下试验

对轮缘发电系统样机开展了水下试验。水下样机试验运行图片如图9所示。

图9 轮缘发电系统水下运行

系统输出电压波形、不同水流速度下试验样机功率，以及不同流速下试验样机转速如图10～图12所示。

图10 系统输出电压波形图

图11 不同流速下系统功率

图12 不同流速下系统转速图

从样机系统的试验运行结果可看出： 轮缘驱动型潮流能发电样机系统输出电压波形具有较好的正弦度；发电系统捕获功率在水流2m/s时，功率为90W,并随着水流速度的增加逐渐上升；在水流为3m/s时，超过300W;样机系统发电机转速在水流3m/s时，超过200r/min，系统达到设计指标。

4 结 语

本文研究讨论了一种轮缘驱动型潮流能发电系统，详细介绍了系统结构，分析了系统能量的捕获原理及轮缘驱动型永磁同步发电机发电理论，给出了系统设计参数。使用有限元方法详细分析了轮缘电机电磁特性及静态特性，并对样机系统开展了相关试验研究。计算和试验结果验证了轮缘驱动型潮流能发电系统设计方法正确合理，为下一步设计更大功率的轮缘驱动型潮流发电系统提供了理论和实践指导。

【参考文献】

[1] 刘全根.世界海洋能开发利用状况及发展趋势[J].能源工程,1999,(2)： 5-8.

[2] KHAN M J, IQBAL MT, QUAICOE J E. A technology review and simulation based performance analysis of river current turbine[C]∥Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2006： 2288-2293.

[3] MUELLER M, WALLACE R. Enabling science and technology for marine renewable energy[J]. Energy Policy, 2008, 36(12)： 4376- 4382.

[4] DROUEN L, CHARPENTIER J F, SEMAIL E， et al. Study of an innovative electrical machine fitted to marine curr-ent turbines[C]∥OCEANS 2007-Europe, 2007: 1- 6.

[5] YUEN K, THOMAS K, GRABBE M， et al. Matching a permanent magnet synchronous generator to a fixed pitch vertical axis turbine for marine current energy conversion[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2009, 34(1)： 24-31.

[6] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京： 机械工业出版社，1997.

[7] DROUEN L, CHARPENTIER J F, SEMAIL E, et al. Investigation on the performances of the electrical generator of a rim-driven marine current turbine[C]∥Proceedings of the 2008 ICOE, 2008： 1- 6.