双向叶轮直驱式潮流发电机在近海岸潮流中的实验及分析
北京信息科技大学、上海海洋大学工程学院的研究人员李世川、马洁等，在2018年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，海浪发电是一种新的清洁能源开发领域，近年来人们对其研究的兴趣越来越高，研制出各种各样的海浪发电机。
本文研制了一种双向叶轮直驱式潮流发电机，并在近海岸进行了潮流发电试验。验证了发电机的实际性能，探索了近海岸潮流能特性，研究了电能处理方法，为后续的海浪发电研究提供了宝贵的经验。
新能源主要有三大分类：风能、太阳能以及海洋能，而在这之中，地球上最大的储备能源是海洋能。利用海洋能发电既经济，又不占用土地，不受气候影响，也不污染环境，实为利用价值极高、潜力巨大的新能源[1]。
开发与利用海洋能的最主要的方式是发电，其形式包括波浪能、潮汐能、潮流能、温差能、盐差能等发电方式[2]。其中潮流能发电具有突出的优势，也是目前重点研究对象。
潮流能有以下特点：①它是一种可再生的清洁能源；②潮流能的能量密度较低（但远大于风能和太阳能），但总储量较大；③不占用土地面积；④发电量可预测。与潮汐能不同的是，潮汐电站通常需要海建坝，会带来一定的社会和环境问题，而潮流发电则不用，其发电装置通常是被置于水中的，对海洋生物影响很小，不会对生态环境造成恶劣影响，对附近居民的生产生活影响也很小[3]。
潮流能复杂多变，当时间和空间变化时，其周期、流速都是变化的[4]。潮流能的复杂性在实验室是很难完全模拟的。但海上实验难度大，成本很高。目前，在海浪发电方面其理论及实验室研究工作较多，海上实验研究很少。海浪发电机的测试、发电电能处理多数还处于实验室的模拟阶段。潮流能转换效率、发电机实际效率、发电能量处理，在实验室里的模拟是远远不够的。
为此，本文设计了一种新型的潮流发电机（双向叶轮直驱式潮流发电机）以及海上实验装置。目的是验证发电机的实际发电性能，探索近海岸潮流能特性、研究电能处理方法。
2017年9月，我们在青岛市黄岛区海域的近海岸进行了双向叶轮直驱式潮流发电机的海上试验。在测试数据的基础上进行了发电性能分析，获得了实验室无法获取的实际数据，为双向直驱式潮流发电研究奠定了的基础。
1 近海岸潮流发电试验
1.1 双向直驱式潮流发电机简介
本文所做试验使用的双向直驱式潮流发电机如图1所示。潮流发电机组安装在圆筒内，叶轮固定在中间，叶轮旋转驱动发电机转子旋转，发电机是永磁发电机，其额定功率是20W。发电机的外侧安装一个形如“子弹头”的分流罩，减小对水流的阻力。
发电机采用机械密封，其外表面利用防腐蚀涂料处理。圆筒两端各有一形如“喇叭口”的导流罩，目的是增加圆筒内水流流量，即增大圆筒内水流的流速。当潮流流入时就会带动中间叶轮旋转，发电机即可发出电能。海浪或潮汐的水流是周期式，岸边也有回流，所以双向叶轮能够充分利用双向水流驱动发电机发电。
图1 双向直驱式潮流发电机照片
1.2 实验地址选择
潮流发电设备做海上实验需选择潮流较大，沿岸沙滩坡度比较小，发电装置的运输和安装比较方便的地方。涨潮与落潮的潮差不小于1.5m。基于上述要求，将目标选定在山东半岛[5]，最终选取了青岛市黄岛区的某一段近海海滩。该地东南方向为黄海，夏季多为东南风，且潮流较大，图2为青岛近海潮流图，图中的颜色标示该点潮流流速大小，颜色越红表明流速越大。
由于客观条件限制，只能选择潮流流速相对较大的地点，故选取图中A点为试验地点。从图中可以看出，该地潮流流速较大，潮差2m。图3为实验地点涨潮过程中波浪照片。平均波高为0.6m，平均海水流速为1.2m。
图2 青岛近海潮流图
图3 实验地点涨潮时波浪照片
1.3 潮流发电机固定装置的设计及安装现场
2016年8月，在北戴河进行了一次实验，采用两对半圆形夹板和4根铁钎对发电机进行固定，如图4所示。退潮时将发电机钉在沙滩上。由于低估了海浪的冲击力，涨潮时铁钎被拔出，发电机被冲到岸上来，所以无法进行发电实验。
吸取上次的经验，本次设计加工了一个坚固的发电机固定装置，发电机固定装置如图5所示。长1.6m、高1.2m、总质量约200kg。前后增加了两个较大的汇流罩，增加水流流速。在架子底下四角加上5cm厚的钢板地脚配重，起稳定作用，以免发电机被潮流冲倒或移位。
现场安装流程：在退潮时，使用小型装载移动式吊车将发电机装置整体运送到近海海滩，发电机轴线朝着预测的潮流方向。发电机输出导线沿着沙滩引到岸上，电缆长为50m。在海堤上与测试设备连接，如图6所示。
图4 简单安装方式的潮流发电机
图5 潮流发电机现场安装
图6 潮流发电机与岸上设备连接
图7为岸上测试设备，主要包括可变电阻箱、整流桥、DM3062型数字采集型万用表、万用表、电脑等。潮流发电机发出的电能经过岸上测试的整流和滤波电路后，接到负载上，然后利用万用表及DM3062测取电压数据，实验流程如图8所示。实验仪器和测试现场如图9所示。
图中DM3062高精度数据采集仪具有高分辨率、高精度和自动化测量等特点，并且支持GPIB、USB、LAN（LXI-C）和RS-232接口，便于与PC端相连接，试验数据可以直接传入PC进行数据处理。
图7 潮流发电机岸上测试设备照片
图8 潮流发电实验流程图
图9 发电机实验测试过程照片
2 发电机不同沉没度的电压测试曲线
通过潮流带动双向叶轮转动使得两侧的永磁发电机转动发电，电流通过长电缆送入整流桥，之后通过大电容滤波接入负载：①以60s为一个周期，每0.1s测量1个数据，观察试验装置在不同水深情况下，分别测试一组数据。
在某一水深时，调节负载大小，从而获得一组平均功率较高曲线。分别取沉没度为半沉没、3/4沉没、全沉没，其平均发电功率最高的三组潮流发电机电压曲线分别如图10（a）、（b）、（c）所示；②由小至大不断变更负载大小，重复步骤①，得到在不同负载下的潮流发电电压曲线。图10中的每个电压曲线是一个发电机的电压曲线。
图10 三组潮流发电机电压曲线
从图10中可以看出，在测量时间内，在半沉没时发电现出明显的周期性。随着发电装置逐渐被淹没，在负载不变的情况下，在测量时间内发电机平均电压呈上升趋势，这表明获得的潮流能逐渐增大。在全沉没后，发电机平均电压最大。
整理实验数据可知，当负载为40～50时，获得的能量最大，此时，最大的平均电压是2.42V，电压最大值为31.35V。在半沉没时负载为50时能量最大，60s内平均电压为1.30V，最大电压是9.86V，平均功率为0.123W；3/4沉没时负载为40时能量最大，60s内平均电压是2.03V，最大电压是15.06V，平均功率为0.36W；全沉没时负载为40能量最大，60s内平均电压为2.42V最大电压为31.35V，平均功率为0.62W。
3 发电机实验结果分析
1）潮流能发电的不规则性
在近海岸，潮流能产生于涨潮时的涌流和风力引起的波浪，将其统称为潮流。随着潮流的波动，发电机发出的电压是间断的。电压随时间变化比较快，还有一定的随机性。这表明潮流能的不规则性，其流速变化较快。
2）波浪之间能量密度较低
在波浪到来时，潮流能密度高，发电机发出电压幅值较高，但幅值很快跌落下来。在两个波浪之间发电机发出的电压幅值比较低。而且中间还有电压为零的区间。这表明潮流能发电的间歇性。
3）发电机发出的平均功率不高
在涨潮时，风速约为4级，浪高约为0.6m，波浪传播速度约为1.2m。此时每个发电机发出的平均功率为0.44W，两个发电机平均功率为0.88W。波浪之间的平均距离比较长，约为10m。由于波浪能的间歇性，发电机发出的平均功率并不高。
4）负载的选取对输出功率的影响
负载电阻的选取直接影响发电机的平均输出功率。在潮流情况基本相近的情况下，选择负载电阻为70时，发电机的平均输出功率为0.41W。经过不断地调节，负载电阻为40时，发电机的平均输出功率最大，为0.62W。此时电阻为最佳电阻，输出功率为最大功率。图9中都是最佳电阻下测得的最大功率。发电机有内阻抗，线路也有阻抗。负载电阻对发电机的运行状态，以及阻抗匹配影响都比较大。
5）对实验结果的归纳总结
此次近海岸潮流发电机实验发现的问题也很多，归纳总结为以下几个主要方面：
（1）潮流能变化较快，方向也有一定的变化，有较弱的周期性，还具有间歇性和随机性。（2）潮流能方向也有一定的变化，要设计方向可以调整的导流罩，获取最大的能量。（3）导流罩小，不能获取较多的能量，导流罩应根据海况进行优化设计。（4）在潮流流速并不高的情况下，对发电机设计进行改进，提高发电机的转速。（5）面对复杂多变的电能，实验中所用潮流发电电能处理设备有很大的不足，还需深入研究电能处理和最大功率跟踪装置。
综上所述，近海岸潮流发电系统是一个非常复杂的系统。欲在复杂多变的潮流（或海浪中）获取较多的能量，发电系统涉及的领域很多。潮流能捕获装置，其是否能吸收较多的能量；潮流能至机械能转换装置的效率，这里是叶轮的转换效率；适应海况的发电机优化设计；多变的发电能量处理等。
此次在青岛沙滩沿岸所进行的双向叶轮直驱式潮流发电机近海岸潮流发电试验得到了近海岸潮流能特点等信息，为进一步研究开发潮流能发电获得了十分可贵的经验。