广州健平工程技术咨询有限公司
摘要：由于海上风力发电的广泛使用和该技术的快速发展，海上风力发电厂正在产生越来越多的能源。然而，海上风电成本昂贵且低效的。桩基因负荷而复杂化并产生大量振动。本文将介绍一种利用发电机组所受影响化劣势为优势，将各种负载产生的振动转换为电能，提高风力发电机效率，消除风力发电机组的不足。
关键词：海上风机；桩基础；振动发电
引言
随着全球气候恶化和环境破坏的日益严重，节能减排和发展新能源已成为一个世界上的共识。由世界气象组织的资料可知，在太阳对地球辐射的能量中，有将近3%的能量会转变为风能，每年在全球范围内的风能总量将近3×109MW，这些能量中可利用的能量也可达到2×107MW，每年地球上可供开发利用的风能的总量也仅仅是这些能量的十分之一。风能资源极大程度地取决于地形，大多处于大陆的收缩地带和沿海地区。我国的风力资源位列美国和俄罗斯之后，即为世界第三。根据中国气象科学研究院的资料可以了解到，中国的风能储量也十分丰富，可达4000GW。
海洋环境不同于陆上，风机桩基础处于半埋入状态，桩基除受风力作用而产生的振动荷载作用以外，还受到了浪、流等的冲击载荷，其桩基振动无法避免。因此，有必要对水平和竖向荷载耦合作用下部分埋入群桩的振动特性作进一步的研究。如果能将这一部分振动合理运用转化为电能，则能大幅提高风机的发电效率，使发电成本大幅降低。且由于部分振动能转化为电能，也减少了振动能在桩基上累积形成的疲劳破坏。这必将推动风电的大力发展。
一、海上风力发电的优势
在上世纪的70年代初，一些学者为解决陆地风力发电厂建设中出现的环保问题，提出了海上风力发电的概念，即将已经发展成熟的陆地风力发电应用到海上进行发展。在1990年，经过二十多年的努力下，世界第一台海上风力发电机由瑞典研发成功并安装在Nogersund上。1991年，丹麦建立了世界第一座海上风力发电场，标志着海上风力发电进入到商业化的阶段，具有历史性的意义。
由于海上风力发电具有巨大的潜能，因此我国也以采取相关措施发展海上风电技术。2004年我国批准在广东南澳建立首个20MW的海上风电场，2005年计划在上海建设100MW的海上风力电场。2012年随着龙源江苏如东15万千瓦海上示范风电场的全部竣工投产，建成中国规模最大的海上风电场，总装机容量达18.2万千瓦。
与陆上的风力发电相比，海上风力发电的优势主要有以下几方面：
（1）海上风力发电场的搭架可以低一点，因为海上风切变小。
（2）海上风力发电机的寿命比陆地的要长，这是由于海上风湍流强度小。
（3）具有稳定的主导风向，对风力发电机组的损耗较低所决定的。
（4）海上风力发电状况比陆地要好，这是因为在陆地上，当风划过地面的时候，很可能会因为地面上的阻碍物影响到风速。而由于海平面没有什么障碍物，因此风速不会随意减少。
（5）技术人员可以通过结合海上风力发电和其他海洋能源的开发，在深海地区建立一个能源中心，为发掘深海资源提供一定的支持。
二、振动发电背景
振动发电机主要有压电式、静电式和电磁式三种。电磁式微型发电机是通过电场将机械能转化为电能。分布在振动质量块的周围的线圈在固定磁体产生的磁场中，根据法拉第定律，由于通过绕组线圈的磁通量发生变化，会产生电势差。但是这个电压值很小，所以必须增大到可以被使用的能源。增大的方法包括增大磁场或增加绕组线圈的圈数。
2.1 磁化环形永磁体振动发电装置
振动发电装置，主要由内圆筒、外圆筒、外侧线圈、内侧线圈和钕铁硼永磁体和空心轴六个部分组成。振动发电装置的圆柱型外圆筒上缠绕着外侧绕组，管中放置着环形永磁体。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆共有三个环形永磁体用两个用词弹簧连接，位于中部的环形永磁体，由于受斥力作用位于上下两固定的环形永磁体之间，永磁体中相对的两面具有相同的极性，两端永磁体固定。在环形永磁体内侧的空心轴上也缠绕了一定匝数的线圈，以便提高振动产生磁场能量的利用效率，同时为了提高输出电压等级，可以将内外线圈绕组串联。当受到外部的激振后，中间的环形永磁体由于受到两端固定的环形永磁体的斥力的作用，做往复的振动，从而改变内外绕组线圈的磁通量，从而产生电动势。
2.2 悬臂式振动发电装置
永磁体振动发电技术不仅在汽车活塞，人行道等较为宏观的振动中有所应用，在微机电领域也得到广泛应用。通过将永磁体和感应线圈，整流稳流等电能处理电路集成到微机电系统中，通过外部的振动使集成电路中的线圈与永磁体产生相对和往复的运动，从而产生感应电动势。但是由于微机电系统中的振动的振幅相对于其他领域要小很多，从而产生的感应电动势也很小，所以必须多采用一些特殊结构对振动的幅值进行放大，比如悬臂梁结构。
永磁振动发电机悬臂梁的自然频率为3.5-4.5kHz，所用钕铁硼永磁体尺寸为8mm×8mm×8mm、剩磁为1.18T。线圈电阻为580Ω，负载电阻为250Ω，最大输出电压和功率分别为50mV和0.4μW。
2.3 内置式振动发电装置
另一种永磁体内置式振动发电机的结构内部放置着圆柱形的永磁铁，该永磁铁是主要的运动部件，同时永磁体四周缠绕着电枢绕组，绕组与发电机的外壁通过非导磁的零件连接。圆柱形永磁体与弹簧之间通过发电机外壳上固定着的非导磁弹簧座连接。该发电机振动发电的原理是：当外部的振动引起该发电机的振动时，外部的振动将会由磁体4和弹簧5共同构成的拾振系统转变为永磁体在上下方向上的振动，电枢绕组3与永磁体之间会在这个过程中产生位置的相对运动，电枢绕组3会产生由切割磁感线引起的感应电动势，通过电磁感应产生的电流由桥式整流和引线9传输到储存电能的设备或用电设备，进而达到将机械能转变为电能的目的。
三、风机振动发电的原理
考虑到海上风机的振动特性以及发电机是否适用于海上风机，内置式振动发电机更加适用于通过海上风机的振动发电。应用永磁体与外壳的相对运动进行发电。永磁振动发电装置是指在外部机械振动过程中，装置中的永磁体和感应线圈产生相对位移，线圈在磁场中不断切割磁感线，从而将机械能转化为电能。
基于桩基的机械振动，永磁体和感应线圈之间产生相对位移，感应线圈上会产生感应电动势这种设计模式是用拾振机构将线圈振子或永磁振子连接起来，线圈会在外部振动的影响下反复切割磁感线，通过线圈内部磁通量的变化产生电动势，实现机械能到电能的转换。由于不同的磁体和线圈，永磁体式振动发电装置输出功率一般在mW级以上，有的甚至能达到kW级。
根据结构动力学原理得出了振动基本方程如下：
阻尼的大小可以运用次生阻尼和结构阻尼来调节。由于装置的尺寸有一定的限制，装置所允许的最大位移也相应由一定的限制，可以用ζ来调节装置所允许的最大位移。由相关公式可得到，应将质量块的振幅以及振源的振幅和频率等都纳入考虑的范围。系统的品质因子会在外部作用的减速度较大的情况下随着阻尼的增加而减小，进而该机构对于振动频率的灵敏度也会减小。容易忽视的一点是，由于振动会在振幅过大的情况下产生非线性效应，机构将不再轻易地持续出现共振。这将使得装置更加难以维持在共振状态。为了使装置振动发电的输出功率最大化，以下几个方面值得注意：
（1）所设计的振动发电机系统的结构特点应与环境中的振动特点相配。在设计一个新的振动发电机时，应首要考虑该装置所处环境的振动特性，如振幅、频率等。输出的功率反比于系统固有的角频率。所以，在加速度的峰值随着频率减小或不变的情况下，应设计合理的机构进而降低该机构工作时的固有频率，同时也要满足机构的固有频率在振源频率的范围内的要求。
（2）尽可能增大装置质量块的质量，同时也满足装置要求的尺寸。
（3）使ζ尽可能小，同时也满足装置要求的尺寸。
结束语
该装置通过接受桩基础振动，采用永磁体内置式结构的电磁式发电机。将机械能转化为电能，在一定程度上提高了海上风机的发电效率。对于清洁能源的利用、推广做出了贡献。
同时还存在一定的问题：
（1）发电量较小，有待进一步实验的进行，对线圈、永磁体的尺寸进行调整、改进。提高输出电压、能量转化效率。
（2）需要通过实验验证增加该装置后对风机桩基础强度、稳定性的影响。极其能量转化后对桩基础的保护效果。
（3）如装置效率过低、在海上风机桩基础上收益较低，可考虑将该装置投入到其他领域。例如，地下通道置埋式振动发电、心脏起搏器微型电源等。
参考文献：
[1]杨晓光.一种新型振动发电机装置及其建模与实验研究[J].电工技术学报，2013.
[2]王志华.超磁致伸缩式与永磁式振动发电的理论与实验研究[D]. 河北工业大学. 2015.
[3]成化彩.永磁体内置式微型振动发电机的研 究[J].微电机，2015.
论文作者:莫瑞杰
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第25期
论文发表时间:2019/6/25
标签：永磁论文; 海上论文; 线圈论文; 装置论文; 发电机论文; 绕组论文; 电能论文; 《建筑细部》2018年第25期论文;