紧凑高效机电一体化海洋能发电系统的探究

谢 嘉，王世明，高中勇，高艾琳，吴燕翔

（上海海洋大学 上海201306）

随着社会和经济的发展， 人类对资源的需求量越来越大，我国正处在向工业化转型的关键时期，能源的问题尤为突出，海洋能以其可再生性和洁净性得到人们的广泛关注。 浩瀚的海洋蕴藏着巨大的能量，海洋总面积达3.61 亿km2，约占全球总面积的71%， 海洋储水量约为全球总水量的97%，海洋是超大的太阳能接收体和存储器，是个“蓝色油田”。 全世界海洋能的理论可再生量超过760 亿kW，其中温差能约400亿kW，盐差能约300 亿kW，潮汐能约30 亿kW，波浪能约30 亿kW，海流能约6 亿kW，技术上允许利用的海洋能约64亿kW[1-2]，海洋能开发利用的主要方式是利用海洋能进行发电。 世界上大多数国家都对海洋能发电系统进行了广泛的研究，也取得了较好的成绩[3-7]，然而，已有的海洋能发电系统在实用性和高效性方面至今未能有很大的突破，从而还未能达到很好的产业化[8]。 为此从海洋能特性的实际出发，研究从能量捕获、高效转换、系统控制、电力系统等各个环节到综合集成的紧凑高效的机电一体化海洋能发电系统， 将具有很大的理论价值和实际意义。

1 传统海洋能发电系统存在的问题及应对策略

海洋能的特点可总结为：1）具有可再生性；2）是一种清洁能源；3）其能量多变，具有不稳定性，应用起来比较困难；4）能量巨大，但分布分散不均，能量密度低。 因此海洋能既具有很大的吸引力又存在着难于开发利用的困难。 传统的海洋能发电系统在能量转换部分几乎都包括三个环节， 即第一级转换完成海洋能到机械能的转换， 最终转换完成机械能到电能的转换，第一级转换和最终转换之间部分称为中间转换环节，其是第一级转换和最终转换之间的桥梁， 一般要能起到传输能量、稳向、增速和稳速的作用。 其中增速和稳速是为了适应传统发电机而设置的，传统发电机需要高速运行，同时速度要稳定，这样才能输出稳定幅值和频率的交流电能。这个思路和传统的水轮机以及汽轮机发电相同， 都是设法调整发电机之前的相关参数，最终满足发电机的输入要求，而发电机本身不做适应低速和不稳速度的研究和设计。 这样传统海洋能发电系统就存在如下一些问题：

1)将能量转换的重点压在了第一级转换部分，即海洋能到机械能的转换要竭尽所能达到高效， 同时机械能的输出形式还要高质量。 然而高质量机械能输出形式的要求和能量转换效率的高效之间往往存在着矛盾。

2) 中间转换环节完全是为了适应后面发电机的运行需求而设置的，在整个海洋能转换过程中其实是个多余的部分，其耗能大，而且维护压力大。

3)发电机几乎都是购买现成的系列产品，其必须在满足额定输入要求的前提下才能高效运行，否则效率低下。

4)整体控制效能低，远程监控也比较薄弱。

上述问题体现出在传统海洋能发电系统的设计中，往往各自为政，没有整体的考虑系统。 首先，第一级转换部分的海洋能到机械能的转换不必要追求其输出能量形式的高质量，因为对输出能量形式高质量的追求势必会影响海洋能量的捕捉能力及其高效转换能力； 其次， 中间转换环节完全可以去掉，这样将会提高整个系统的效率，减少系统维护量；最后，最终转换中用于海洋能发电的发电机要能全方位接受不同质量的机械能输出形式，并且能将其高效转换成电能，高质量的电能输出形式由高效的二次电-电能量转换方式来最终获得；同时，对整个系统要进行有效监控和整体控制，并实现远程操作的功能。 可以看出上述针对传统海洋能发电系统问题的应对策略将矛盾分散化了， 能量转换系统的各个部分既各自发挥自己的最大优势、高效完成自己的主要任务，又各部分之间有机结合，以最终实现海洋能的高效转换，并得到优质的输出电能形式。

2 紧凑高效机电一体化海洋能发电系统结构

上节对传统海洋能发电系统存在问题分析所产生的应对策略，就构成了紧凑高效机电一体化海洋能发电系统，其系统结构如图1 所示，其中各个环节主要功能如下：

图1 紧凑高效机电一体化海洋能发电系统组成结构图Fig. 1 Structure diagram of mechanical-electrical ocean energy generation system

1)能量捕获和能量转化环节，它们构成海洋能转化的第一级转换部分，用于将海洋能转化成一种机械运动，可以是旋转运动也可以是直线运动。 这部分要完全适应海洋能的实际运行形式，以保证海洋能到机械能的能量转化效率。

2)高效自适应发电机，用于将前面第一级转换获得的机械能转化成电能， 该发电机可以根据前面能量的大小和频率的变化自动调整其本身发电单元的多少， 从而使得该发电机始终在高效、高输出幅值的状态下运行，保证机械能到电能的能量转化效率。

3)二次电-电能量转换环节，其包括3 个部分。 ①整流稳压部分将发电机发出的幅值和频率变化的电能经过整流和稳压，得到某个幅值基本无脉动的直流电能。通过对该部分中整流电路的控制， 可以使其工作在单相、 两相和三相的工作状态，以适应前面发电机的工作状态。②直流电压综合稳定部分将多个分散的发电装置得到的直流电在这里叠加， 然后用升降压斩波电路和稳压电路实现其输出电压的稳定和幅值固定，该电压要能满足后面逆变电路的输入要求。其中需要控制升降压斩波电路的调整系数， 以保证输出电压稳定在要求数值上。 ③逆变电路用于将前面获得的稳定直流电能再逆变成交流电能， 其输出的交流电压幅值和频率必须满足负载或并网的要求，需要对其输出进行控制，可以采用PWM 控制技术实现。

4)中央控制单元用于对整个发电系统进行控制，并和其他发电装置交换信息，以便协调工作，同时通过无线通讯技术实现和远程监控系统的信息交互， 从而将该发电系统的工作情况和整个发电网络共享，并接受远程控制。

3 紧凑高效机电一体化海洋能发电系统具备的特点

根据上节对紧凑高效机电一体化海洋能发电系统各个环节功能的分析，可以看出系统的特点如下：

1)能量捕获环节能最大限度的捕捉到海洋能。 为了达到这个目的，只需唯一实现把海洋能转化成机械能就行，可以不追求捕获到的能量质量，比如运动速度不要求均匀，频率不要求一致，得到的能量可大可小等。

2)海洋能到机械能的转换简捷高效。 能量转换的简捷高效才能提高能量转换的效率，彻底去掉中间转换环节，第一级转换甚至可以简化成仅仅就是能量捕获环节或者只加些非常简单的能量传输。

3)发电机能宽范围的高效的将不同质量的机械能转换成电能。发电机能自动适应第一级转换输出的机械能形式，将其幅度、频率和能量大小变化的机械能高效的转换成电压、电频率和电功率变化的电能。 这方面显然要打破传统发电机的设计思路，需要进行创新型设计。比如：①发电机定、转（动）子的模块化设计以适应机械能量形式的变化； ②电枢线圈空间的最大设计以获得高的电流输出能力， 从而适应转换能量的高低变化；③定、转（动）子齿形的优化设计以适应机械运动幅度、频率的变化，并能将其携带的能量最大限度的转换成电能形式；④发电机极对数尽可能多，以实现在输入机械速度较低的情况下仍然能获得高的电速度，从而得到高的输出电压。对于该适应海洋能转换的发电机， 对其机电能量转换电磁场媒介特性的深入研究是关键， 这是设计出高性能适应海洋能转换发电机的基础。

4)机械转换装置和发电机紧凑融为一体。 发电机本身就是一个机电一体化装置，对于适应海洋能转换的发电机设计，不能被传统的电机形式所禁锢。比如设计成直线型，动子就是能量捕获环节的运动部分， 将发电机定子和能量捕获环节的运动部分一体设计，这样就达到了最简化。如果采用旋转的形式，可以把发电机直接做在机械部分的旋转轴上，或者就做成轮毂的形式。另外可以从发电的基本原理出发研究发电机，比如采用磁流体发电，其将导电流体(气、液体)以一定的速度垂直通过磁场，从而感应电动势产生电功率，其将机械转换装置和发电机紧凑融为了一体。 上述的紧凑结合形式显然能很好的提高效率。

5)采用二次电-电能量转换获得高质量电能。 前述发电机输出的电能其电压、频率以及电能的大小是变化的，有时也是单相的或多相的，这种电能称为粗电，用户基本无法使用，也不能并网。 通过二次电-电能量转换进行整流、稳压、综合和逆变就能最终获得高质量的电能形式， 提供给用户或者并上电网。 电-电能量转换本身效率很高，其在功能上代替了传统海洋能发电系统中中间转换环节的功能，显然提高了效率，并将矛盾分散化。在海洋能发电系统中，不用先考虑电能的幅值、频率等问题，只需考虑转换效率最大即可，电能质量问题由高效的二次电-电能量转换环节完成。

6) 紧凑高效机电一体化海洋能发电系统的综合控制能力和远程监控能力。 整个系统要高效运行，必须实时监控、判断和实时综合控制，这由图1 中的中央控制单元实现。 同时，许多大型的海洋能电场一般都分布在比较偏远的、 海况差的地区，每一个海洋能电场中的发电机组的数量都比较多，且各个海洋能电场之间又都是相对比较分散的， 这就需要远程地对海洋能发电机组的各个参数进行检测和控制。 综合控制能力和远程监控可以做成一个完善的远程监控系统， 在紧凑高效机电一体化海洋能发电系统中利用计算机通过网络系统实现，这可以有效地实现对海洋能发电的控制，还可以实现对整个范围的控制。

4 紧凑高效机电一体化海洋能发电系统的几种发展方向

和传统海洋能发电系统相比， 紧凑高效机电一体化海洋能发电系统主要在发电机方面有重大的突破， 主要有3 种形式：1）高效的能够适应直驱运行的旋转发电机系统；2）高效直线发电机系统；3）磁流体发电机系统。

4.1 高效直驱运行的旋转发电机系统

上海海洋大学在国家海洋局项目" 面向实时传输海床基的波浪能供电关键技术研究与试验" 中所研制的波浪能发电系统就是典型的紧凑高效型机电一体化海洋能发电系统。 其采用直驱方式将水轮机捕获到的能量直接传递给盘式发电机， 发电机输出电能经整流稳压装置后输入电网或用于蓄电池充电。在整个过程中，有联网监控装置对系统的电压、电流、功率和相位角等数据进行监控，并传递给管理控制中心。 图2是项目研制的卧式浪流发电装置轮机模型。

图2 卧式浪流发电装置模型Fig.2 Horizontal wave flow generation device model

发电装置模型主要由5 个机翼、1 根主轴、2 个轮辐、1 个机架及发电机等组成。 图中2 为机翼，将其固定在轮辐上，轮辐由法兰与主轴连接在一起。 主轴两端和机架由轴承连接在一起，右端通过联轴器和发电机连接在一起，直接驱动发电机发电，减少能量的损耗。该发电系统在厦门海域进行了实地试验，验证了系统设计的可行性，项目获得了丰硕的成果，现在已经结题。 发电系统入水画面如图3 所示。

4.2 高效直线发电机系统

直线发电机可以看成是将一台旋转电机按径向剖开展成平面而成。它可以直接将直线运动的机械能转换成电能，中间不需要任何传动装置。 由传统电机定子演变而来的称为初级（或仍然叫定子），转子演变而来的称为次级（动子）。在实际应用中， 通常将定子和动子造成不同的长度以保证初级与次级间的耦合保持不变。 直线发电机的工作原理与旋转发电机相似，在海洋能发电系统中，一般将直线发电机制造成永磁发电机，采用永磁体建立气隙磁场。

图3 厦门海试实验图Fig. 3 Experiment at Xiamen sea

在海洋能发电系统中，采用永磁直线发电机，可以将能量捕获环节及简单机械变换获得的直线运动直接传递到直线发电机的动子上，去掉中间传递环节，从而简化了系统结构，提高了系统转换效率，并且降低了系统的造价。

4.3 磁流体发电机系统

磁流体发电的研究始于20 世纪50 年代末，被认为是最现实可行、最有竞争力的直接发电方式。磁流体发电机又称为等离子发电机， 是利用超高温下的导电流体与强磁场相互作用产生电能的一种发电设备。 在几千度的高温下， 一些物质（加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气）中的原子和电子会强烈运动，有些电子会脱离原子核的束缚变成自由电子，而失去电子的原子则变为带正电的粒子。自由电子，带正电的粒子以及原子核组成等离子体， 将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的通道里，带电粒子在洛仑磁力的作用下，正负粒子分别向磁场两级聚拢，于是极板之间产生电压，其外接负载就能当做电源使用。

利用磁流体发电，只要加快带电流体的喷射速度，增加磁场强度，就能提高发电机的功率。 人们使用高能量的燃料，再配上快速启动装置，就可以使发电机功率达到1000 万kW，这就满足了一些需要大功率电力的场合。 现在磁流体发电机制造中的主要问题是发电通道效率低，只有10%，通道和电极的材料都要求耐高温、耐碱腐蚀、耐化学烧蚀等，目前所用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不能长时间运行。

目前有一种液态金属磁流体波浪能发电系统，它是将磁流体发电机与波浪能发电相结合的一种新型发电方式。 该发电系统是采用振荡浮子的形式来驱动液态金属磁流体发电机， 因为液态金属的阻力特性可以和波浪的运动特性很好地耦合，所以省去了中间机械转换系统，避免了能量损失又降低了成本。缺点是液态金属磁流体发电机存在端部效应，在换向的过程中也会有一定的能量损失。

5 结论

尽管我国拥有丰富的海洋能资源，但海洋能到电能的转换效率低成为阻碍海洋能利用的主要障碍。 为此应该让能量捕获、高效转换、系统控制、电力系统等各个环节发挥自己的最大优势，高效完成自己环节的主要功能，同时又要把它们有机整合起来，并且使得整个系统紧凑高效，这样获得的机电一体化海洋能发电系统将会在海洋能发电方面获得重大的突破。文中的研究表明，该紧凑高效机电一体化海洋能发电系统的重点和难点是适应海洋能运动特性发电机系统的理论研究和创新型设计，该类发电机应该具有低速、高能量密度和高效能量转换的特性。今后在海洋能发电研究方面，面向海洋能转换的发电机系统的研究将是一个重要方向， 对其的深入研究将具有很好发展前景和重要的理论意义， 该研究对于海洋能的有效利用具有基础性的支撑作用， 研究所获得的设计理论和研究成果将有利于我国对海洋能的利用， 将会产生重大的经济效益和社会效益。

[1] 游亚戈,李伟,刘伟民,等.海洋能发电技术的发展现状与前景[J].电力系统自动化,2010,34(14):1-12.

YOU Ya-ge, LI Wei, LIU Wei-min, etc. Development status and perspective of marine energy conversion systems [J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(14):1-12.

[2] 施伟勇,王传崑,沈家法.中国的海洋能资源及其开发前景展望[J].太阳能学报,2011,32(6):913-923.

SHI Wei -yong, WANG Chuan -kun, SHEN Jia -fa.Utilization and prospect of ocean energy resource in China[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2011,32(6):913-923.

[3] Whitby B, Ugalde-Loo CE. Performance of pitch and stall regulated tidal stream turbines [J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy,2014,5(1):64-72.

[4] Khan J, Leon D, Moshref A, et al. Network security assessments for integrating large -scale tidal current and ocean wave resources into future electrical grids [J].Proceeding of the IEEE,2013,101(4):956-977.

[5] ZHANG Jing, YU Hai-tao, CHEN Qi, et al. Design and experimental analysis of AC linear generator with halbach PM arrays for direct-drive wave energy conversion [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2014,24(3):5.

[6] 王项南,夏海南,李雪临,等.海洋能发电装备现场检测技术研究[J].海洋技术学报,2014,33(4):112-116.

WANG Xiang-nan, XIA Hai-nan, LI Xue-lin, etc. Study on the on-site detecting techniques for marine energy power generation devices [J]. Journal of Ocean Technology,2014,33(4):112-116.

[7] James H, VanZwieten J, Nicolas V, et al. Numerical simulation of an experimental ocean current turbine[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,2013,38(1):131-143.

[8] 高艳波,柴玉萍,李慧清,等.海洋可再生能源技术发展现状及对策建议[J].可再生能源,2011,29(2):152-156.

GAO Yan-bo, CHAI Yu-ping, LI Hui-qing, et al. Status of domestic and international ocean renewable energy technology development and relevant suggestions [J].Renewable Energy Resources, 2011,29(2):152-156.