海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)振動(dòng)發(fā)電

摘 要：由于海上風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用和該項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電廠的發(fā)電量和規(guī)模也越來越大。但海上風(fēng)力發(fā)電成本較高且效率較低。樁基礎(chǔ)受荷復(fù)雜，產(chǎn)生大量振動(dòng)。文章將介紹一種裝置利用發(fā)電機(jī)組所受影響化劣勢(shì)為優(yōu)勢(shì)，利用多種載荷產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不足之處。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)機(jī)；樁基礎(chǔ)；振動(dòng)發(fā)電

引言

隨著全球氣候惡化和環(huán)境破壞的日益嚴(yán)重，節(jié)能減排和發(fā)展新能源已成為一個(gè)世界上的共識(shí)。由世界氣象組織的資料可知，在太陽對(duì)地球輻射的能量中，有將近3%的能量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能，每年在全球范圍內(nèi)的風(fēng)能總量將近3×109MW，這些能量中可利用的能量也可達(dá)到2×107MW，每年地球上可供開發(fā)利用的風(fēng)能的總量也僅僅是這些能量的十分之一。風(fēng)能資源極大程度地取決于地形，大多處于大陸的收縮地帶和沿海地區(qū)。我國(guó)的風(fēng)力資源位列美國(guó)和俄羅斯之后，即為世界第三。根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院的資料可以了解到，中國(guó)的風(fēng)能儲(chǔ)量也十分豐富，可達(dá)4000GW。

海洋環(huán)境不同于陸上，風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)處于半埋入狀態(tài)，樁基除受風(fēng)力作用而產(chǎn)生的振動(dòng)荷載作用以外，還受到了浪、流等的沖擊載荷，其樁基振動(dòng)無法避免。因此，有必要對(duì)水平和豎向荷載耦合作用下部分埋入群樁的振動(dòng)特性作進(jìn)一步的研究。如果能將這一部分振動(dòng)合理運(yùn)用轉(zhuǎn)化為電能，則能大幅提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率，使發(fā)電成本大幅降低。且由于部分振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，也減少了振動(dòng)能在樁基上累積形成的疲勞破壞。這必將推動(dòng)風(fēng)電的大力發(fā)展。

1 振動(dòng)發(fā)電背景

振動(dòng)發(fā)電機(jī)主要有壓電式、靜電式和電磁式三種。電磁式微型發(fā)電機(jī)是通過電場(chǎng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。分布在振動(dòng)質(zhì)量塊的周圍的線圈在固定磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，根據(jù)法拉第定律，由于通過繞組線圈的磁通量發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。但是這個(gè)電壓值很小，所以必須增大到可以被使用的能源。增大的方法包括增大磁場(chǎng)或增加繞組線圈的圈數(shù)。

1.1 磁化環(huán)形永磁體振動(dòng)發(fā)電裝置

圖1中的結(jié)構(gòu)是《一種新型振動(dòng)發(fā)電機(jī)裝置及其建模與實(shí)驗(yàn)研究》中提出的振動(dòng)發(fā)電裝置，主要由內(nèi)圓筒、外圓筒、外側(cè)線圈、內(nèi)側(cè)線圈和釹鐵硼永磁體和空心軸六個(gè)部分組成。振動(dòng)發(fā)電裝置的圓柱型外圓筒上纏繞著外側(cè)繞組，管中放置著環(huán)形永磁體。共有三個(gè)環(huán)形永磁體用兩個(gè)用詞彈簧連接，位于中部的環(huán)形永磁體，由于受斥力作用位于上下兩固定的環(huán)形永磁體之間，永磁體中相對(duì)的兩面具有相同的極性，兩端永磁體固定。在環(huán)形永磁體內(nèi)側(cè)的空心軸上也纏繞了一定匝數(shù)的線圈，以便提高振動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)能量的利用效率，同時(shí)為了提高輸出電壓等級(jí)，可以將內(nèi)外線圈繞組串聯(lián)。當(dāng)受到外部的激振后，中間的環(huán)形永磁體由于受到兩端固定的環(huán)形永磁體的斥力的作用，做往復(fù)的振動(dòng)，從而改變內(nèi)外繞組線圈的磁通量，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

輸出電壓與功率的特性曲線如圖2所示，在電流為10.6mA，電壓為2.7V時(shí)，最大有效輸出功率為28.3mW[1]。

1.2 懸臂式振動(dòng)發(fā)電裝置

永磁體振動(dòng)發(fā)電技術(shù)不僅在汽車活塞，人行道等較為宏觀的振動(dòng)中有所應(yīng)用，在微機(jī)電領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。通過將永磁體和感應(yīng)線圈，整流穩(wěn)流等電能處理電路集成到微機(jī)電系統(tǒng)中，通過外部的振動(dòng)使集成電路中的線圈與永磁體產(chǎn)生相對(duì)和往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但是由于微機(jī)電系統(tǒng)中的振動(dòng)的振幅相對(duì)于其他領(lǐng)域要小很多，從而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也很小，所以必須多采用一些特殊結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的幅值進(jìn)行放大，比如懸臂梁結(jié)構(gòu)。永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)典型懸臂梁結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)懸臂梁的自然頻率為3.5-4.5kHz，所用釹鐵硼永磁體尺寸為8mm×8mm×8mm、剩磁為1.18T。線圈電阻為580Ω，負(fù)載電阻為250Ω，最大輸出電壓和功率分別為50mV和0.4μW[2]。

1.3 內(nèi)置式振動(dòng)發(fā)電裝置

另一種永磁體內(nèi)置式振動(dòng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，機(jī)構(gòu)內(nèi)部放置著圓柱形的永磁鐵，該永磁鐵是主要的運(yùn)動(dòng)部件，同時(shí)永磁體四周纏繞著電樞繞組，繞組與發(fā)電機(jī)的外壁通過非導(dǎo)磁的零件連接。圓柱形永磁體與彈簧之間通過發(fā)電機(jī)外殼上固定著的非導(dǎo)磁彈簧座連接。該發(fā)電機(jī)振動(dòng)發(fā)電的原理是：當(dāng)外部的振動(dòng)引起該發(fā)電機(jī)的振動(dòng)時(shí)，外部的振動(dòng)將會(huì)由磁體4和彈簧5共同構(gòu)成的拾振系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛来朋w在上下方向上的振動(dòng)，電樞繞組3與永磁體之間會(huì)在這個(gè)過程中產(chǎn)生位置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，電樞繞組3會(huì)產(chǎn)生由切割磁感線引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流由橋式整流和引線9傳輸?shù)絻?chǔ)存電能的設(shè)備或用電設(shè)備，進(jìn)而達(dá)到將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪康腫3]。

2 原理

考慮到海上風(fēng)機(jī)的振動(dòng)特性以及發(fā)電機(jī)是否適用于海上風(fēng)機(jī)，內(nèi)置式振動(dòng)發(fā)電機(jī)更加適用于通過海上風(fēng)機(jī)的振動(dòng)發(fā)電。應(yīng)用永磁體與外殼的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電。永磁振動(dòng)發(fā)電裝置是指在外部機(jī)械振動(dòng)過程中，裝置中的永磁體和感應(yīng)線圈產(chǎn)生相對(duì)位移，線圈在磁場(chǎng)中不斷切割磁感線，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

基于樁基的機(jī)械振動(dòng)，永磁體和感應(yīng)線圈之間產(chǎn)生相對(duì)位移，感應(yīng)線圈上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)這種設(shè)計(jì)模式是用拾振機(jī)構(gòu)將線圈振子或永磁振子連接起來，線圈會(huì)在外部振動(dòng)的影響下反復(fù)切割磁感線，通過線圈內(nèi)部磁通量的變化產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。由于不同的磁體和線圈，永磁體式振動(dòng)發(fā)電裝置輸出功率一般在mW級(jí)以上，有的甚至能達(dá)到kW級(jí)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理得出了振動(dòng)基本方程如下：

阻尼的大小可以運(yùn)用次生阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼來調(diào)節(jié)。由于裝置的尺寸有一定的限制，裝置所允許的最大位移也相應(yīng)由一定的限制，可以用ζ來調(diào)節(jié)裝置所允許的最大位移。由相關(guān)公式可得到，應(yīng)將質(zhì)量塊的振幅以及振源的振幅和頻率等都納入考慮的范圍。系統(tǒng)的品質(zhì)因子會(huì)在外部作用的減速度較大的情況下隨著阻尼的增加而減小，進(jìn)而該機(jī)構(gòu)對(duì)于振動(dòng)頻率的靈敏度也會(huì)減小。容易忽視的一點(diǎn)是，由于振動(dòng)會(huì)在振幅過大的情況下產(chǎn)生非線性效應(yīng)，機(jī)構(gòu)將不再輕易地持續(xù)出現(xiàn)共振。這將使得裝置更加難以維持在共振狀態(tài)。為了使裝置振動(dòng)發(fā)電的輸出功率最大化，以下幾個(gè)方面值得注意：

（1）所設(shè)計(jì)的振動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)與環(huán)境中的振動(dòng)特點(diǎn)相配。在設(shè)計(jì)一個(gè)新的振動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)首要考慮該裝置所處環(huán)境的振動(dòng)特性，如振幅、頻率等。輸出的功率反比于系統(tǒng)固有的角頻率。所以，在加速度的峰值隨著頻率減小或不變的情況下，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的機(jī)構(gòu)進(jìn)而降低該機(jī)構(gòu)工作時(shí)的固有頻率，同時(shí)也要滿足機(jī)構(gòu)的固有頻率在振源頻率的范圍內(nèi)的要求。

（2）盡可能增大裝置質(zhì)量塊的質(zhì)量，同時(shí)也滿足裝置要求的尺寸。

（3）使ζ盡可能小，同時(shí)也滿足裝置要求的尺寸。

3 結(jié)束語

該裝置通過接受樁基礎(chǔ)振動(dòng)，采用永磁體內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的電磁式發(fā)電機(jī)。將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在一定程度上提高了海上風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率。對(duì)于清潔能源的利用、推廣做出了貢獻(xiàn)。

同時(shí)還存在一定的問題：

（1）發(fā)電量較小，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，對(duì)線圈、永磁體的尺寸進(jìn)行調(diào)整、改進(jìn)。提高輸出電壓、能量轉(zhuǎn)化效率。

（2）需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證增加該裝置后對(duì)風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)強(qiáng)度、穩(wěn)定性的影響。極其能量轉(zhuǎn)化后對(duì)樁基礎(chǔ)的保護(hù)效果。

（3）如裝置效率過低、在海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)上收益較低，可考慮將該裝置投入到其他領(lǐng)域。例如，地下通道置埋式振動(dòng)發(fā)電、心臟起搏器微型電源等。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張蕾（1995-），女，漢族，遼寧人，本科生。