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      1. 淺談波浪能發(fā)電裝置發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        時(shí)間:2020-08-14 20:47:27 理工學(xué) 我要投稿

        淺談波浪能發(fā)電裝置發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

          引言:發(fā)電機(jī)的三相輸出接到風(fēng)光互補(bǔ)控制器上,通過控制器可以得到48V的穩(wěn)定電壓,可將穩(wěn)定的電能存儲在蓄電池中。以下是小編來淺談波浪能發(fā)電裝置發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì),希望對你們有幫助。

          【論文摘要】本文在上海海洋大學(xué)研制的“浪流一體化發(fā)電裝置”的基礎(chǔ)上,對其發(fā)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),去掉了發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)的中間轉(zhuǎn)換裝置,滿足了海洋能直驅(qū)發(fā)電的形式,通過電機(jī)實(shí)驗(yàn)室性能測試驗(yàn)證了其可行性,提高了發(fā)電效率和可靠率,降低了維護(hù)成本,可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

          【關(guān)鍵詞】浪流一體化;發(fā)電裝置;發(fā)電機(jī);優(yōu)化設(shè)計(jì);直驅(qū)發(fā)電

          0 前言

          上海海洋大學(xué)研制的“浪流一體化發(fā)電裝置”同時(shí)可以捕獲波浪和海流的向前的推力,在接受到海洋能量之后產(chǎn)生慣性而發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)動;通過主軸帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電能。為海洋觀測、島礁生活、海洋養(yǎng)殖、海水淡化等提供穩(wěn)定的電能,并用于解決邊遠(yuǎn)海域的國防設(shè)施、部分電網(wǎng)未覆蓋的有居民海島、偏遠(yuǎn)無居民海島生態(tài)建設(shè)中的供電需求。本文以此發(fā)電裝置為研究對象,對其水輪機(jī)匹配的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),克服了傳統(tǒng)的海洋能需要經(jīng)過三個(gè)部分轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn),沒有齒輪箱,減少了傳動損耗,采用發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定控制器,實(shí)現(xiàn)了浪輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,提高了發(fā)電效率,降低了運(yùn)行維護(hù)成本。尤其是在低轉(zhuǎn)速環(huán)境下,效果更加顯著。

          1 研究對象與方法

          本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)是滿足海洋能直驅(qū)發(fā)電形式的。然而,齒輪箱的存在卻成為制約海洋能發(fā)電機(jī)組發(fā)展的因素之一:機(jī)組運(yùn)行過程中齒輪箱一直處于高速旋轉(zhuǎn),增加了系統(tǒng)損耗,降低了能量利用率;海洋能發(fā)電機(jī)組往往安裝在海平面或海水之中,經(jīng)受嚴(yán)寒酷暑,海水腐蝕、溫度變化大,環(huán)境條件惡劣,導(dǎo)致升速齒輪箱的工況嚴(yán)峻,維護(hù)保養(yǎng)工作量大;為了能適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境,齒輪箱畢竟造價(jià)昂貴,更由于海洋能能量多變,往往會造成過載,這樣就更容易損壞齒輪箱,使得系統(tǒng)運(yùn)行成本增大。

          因此,本設(shè)計(jì)取掉了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),水輪機(jī)主軸右端通過聯(lián)軸器和電機(jī)連接在一起,直接帶動電機(jī)發(fā)電,中間不經(jīng)過任何環(huán)節(jié),這就實(shí)現(xiàn)了絕對的直驅(qū)。本文研制海洋能直驅(qū)發(fā)電方式有以下幾個(gè)方面優(yōu)點(diǎn):

          (1)提高了發(fā)電效率高。直驅(qū)式發(fā)電沒有齒輪箱,減少了傳動損耗,提高了發(fā)電效率,尤其是在低轉(zhuǎn)速環(huán)境下,效果更加顯著。

          (2)提高了可靠性。直驅(qū)技術(shù)省去了齒輪箱及其附件,簡化了傳動結(jié)構(gòu),提高了機(jī)組的可靠性。同時(shí),機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,旋轉(zhuǎn)部件少,可靠性更高。

          (3)運(yùn)行及維護(hù)成本低。采用無齒輪直驅(qū)技術(shù)可減少發(fā)電機(jī)組裝置零部件數(shù)量,避免齒輪箱油的定期更換,降低了運(yùn)行維護(hù)成本。

          然而,這樣的海洋能直驅(qū)發(fā)電方式就需要發(fā)電機(jī)具有低速運(yùn)行的'特性,并且有較高的效率,更者要求發(fā)電機(jī)要能在海水中運(yùn)行。

          2 直驅(qū)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

          2.1 直驅(qū)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

          發(fā)電機(jī)采用盤式結(jié)構(gòu):波浪能單位體積所攜帶的能量有限,要能高效的收集這些能源,發(fā)電機(jī)則成為本裝置中能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備之一。波浪能發(fā)電機(jī),最多每分鐘幾百轉(zhuǎn),因此發(fā)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性等決定本裝置在市場中的競爭力。常用發(fā)電機(jī)分為盤式和圓柱式兩種:圓柱式發(fā)電機(jī)的氣隙磁場延軸向分布,要想獲得較高的發(fā)電效率,圓柱式發(fā)電機(jī)必須運(yùn)行在高速下,而盤式發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子為平行結(jié)構(gòu),克服了圓柱式發(fā)電機(jī)定子包容轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn),軸向尺寸小,沒有疊片和鉚壓工序,工藝好,因此盤式發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在低速條件下。因此發(fā)電機(jī)選用盤式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),能夠在低轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定功率,從而滿足了波浪能發(fā)電系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求,提高了效率。

          2.2 發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)

          發(fā)電機(jī)的三相輸出接到風(fēng)光互補(bǔ)控制器上,通過控制器可以得到48V的穩(wěn)定電壓,可將穩(wěn)定的電能存儲在蓄電池中?刂破鞯脑硎菍⑤斎氲慕涣麟娏魍ㄟ^三相橋式全控整流電路轉(zhuǎn)化成直流電流,直流電流通過升降壓斬波電路將電壓輸出控制在48V。值得注意的是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到54r/min控制器輸出端才會有電流輸出?刂破魅鐖D2所示,經(jīng)過控制器流出的電流為直流,將控制器后面的電池組“+”“-”接到蓄電池的接口即可,反面細(xì)節(jié)如圖3所示。

          2.3 直驅(qū)電機(jī)工作原理

          2.3.1 三相橋式全控整流電路

          在三相橋式全控整流電路中,如圖4所示,晶閘管KP1和KP4接a相,晶閘管KP3和KP6接b相,晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組,而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。

          2.3.2 升降壓斬波電路原理

          如圖5所示為升降壓斬波電路原理,V通時(shí),電源E經(jīng)V向L供電使其貯能,此時(shí)電流為i1。同時(shí),C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。V斷時(shí),L的能量向負(fù)載釋放,電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正,與電源電壓極性相反,該電路也稱作反極性斬波電路。

          3 實(shí)驗(yàn)分析

          在實(shí)驗(yàn)室中模擬不同工況水流下輪機(jī)所具有的轉(zhuǎn)數(shù),并以可控轉(zhuǎn)數(shù)電動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)測試其發(fā)電性能。為此,我們搭建了發(fā)電機(jī)測試平臺。發(fā)電機(jī)測試平臺如圖7所示,通過機(jī)架將發(fā)電機(jī)固定,通過聯(lián)軸器與傳感器相連。在發(fā)電機(jī)測試平臺中,右邊是直流電動機(jī),模擬水輪機(jī)的作用,作為動力的出入。通過聯(lián)軸器與電動機(jī)相連的是傳感器,這種傳感器連接顯示屏后可以看到瞬態(tài)的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率。其中功率可是為發(fā)電機(jī)的輸入功率,這樣我們測出輸出功率后可以得到發(fā)電機(jī)的效率。電阻箱、整流器與扭矩儀如圖8所示,扭矩儀上的3個(gè)顯示屏即為扭矩、轉(zhuǎn)速、功率。

          發(fā)電機(jī)所發(fā)出的是三相交流電,三相交流電輸入電子測試平臺,通過電子測試平臺,可以得到三相交流電的瞬態(tài)電壓、電流、功率、功率因數(shù)。流出整流器的電流經(jīng)過整流變?yōu)橹绷麟娏,流入功率?jì),并將滑動變阻箱串聯(lián)到整個(gè)電路中。

          4 電機(jī)方案總結(jié)與展望

          方案采用直驅(qū)式發(fā)電形式不僅增加了發(fā)電效率,而且提高的發(fā)電裝置的可靠性,無障礙運(yùn)行時(shí)間滿足了要求。發(fā)電機(jī)采用盤式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),其能夠在低轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定功率,從而滿足了波浪能發(fā)電系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求,提高了效率。裝置發(fā)出的三相交流電通過控制器后,經(jīng)實(shí)際測量,電壓基本維持在48V左右,且為直流電,這將電能存儲到蓄電池中提供了條件,并最終達(dá)到了我們的要求。

          但是發(fā)電機(jī)組安裝在海平面或海水之中,經(jīng)受嚴(yán)寒酷暑,海水腐蝕、溫度變化大,環(huán)境條件惡劣,容易遭受海水腐蝕,因此今后可以做的研究方向還有以下幾個(gè)方面:

          1)發(fā)電機(jī)本身要具有良好的機(jī)械密封設(shè)計(jì),評估不同海水深度、壓力下密封系統(tǒng)的可靠性。研究海水環(huán)流條件下,涉海材料在淤泥、深海、淺海、浪花飛濺、海霧等不同區(qū)域環(huán)境下,其腐蝕規(guī)律,設(shè)計(jì)相應(yīng)的耐腐蝕材料;

          2)發(fā)電機(jī)外部可增設(shè)防水箱,使發(fā)電機(jī)與海水具有了隔離層,不僅達(dá)到了防水的效果,也使發(fā)電機(jī)無需浸泡在海水中。

          【參考文獻(xiàn)】

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