目前，所有用于可再生能源采集的电机都是从化石燃料发电厂延伸出来的。传统发电机将可再生能源转化为电力的效率相对较低，尤其是在利用风能或波浪能方面。

　　例如，2010年的水力发电量约为3427太瓦时，由于意外的机器维护而闲置一天，每年就会损失9.4太瓦时的电力，每年的成本约为1.5亿美元；2010年的风力发电量约为430太瓦时，只要提高1%的机器效率，每年就能多发电4.3太瓦时，每年大约可节省4.8亿美元。

　　风或海浪等可再生能源具有间歇性和运动缓慢的特点，这给如何有效捕捉这些运动并将其转化为电能带来了挑战。间歇性不仅指幅度变化大，还指变化的可预测性低。发电机的这种间歇性运行会导致突然断电或输出电压和频率的时变。

　　捕捉慢动作也是一项艰巨的任务。例如，风速一般约为5-20米/秒，相当于风力发电机的转速约为5-20转/分。如此低的转速要求风力发电机采用低速设计，导致体积庞大、重量较重。否则，就需要一个机械齿轮箱将风力涡轮机的转速提高约100倍，进而驱动风力发电机的转子。

　　这种安排可以实现风力发电机的高速设计，从而减小其体积和重量，但却需要机械齿轮箱，因为机械齿轮箱存在额外成本、传动损耗、需要润滑和维护等缺点。

　　实际上，齿轮箱维修的停机时间是风力发电所有部件维修中最长的。即使有所需的备用齿轮箱，也需要一周左右的时间。同样，波浪发电也存在波浪发电机的低速设计问题和机械齿轮箱的磨损问题。

　　本文概述了利用电机发电的可再生能源，包括风能、波浪能、水能、潮汐能、太阳热能、地热能和生物质热能；而不使用电机直接发电的太阳能发电（光伏发电）和热能发电则不在讨论之列。

　　基本上，这些可再生能源可按其在使用电机发电之前的储能形式进行分类：即风能、波浪能、径流水能和潮汐能以动能形式储存；大型水电和挡潮闸以势能形式储存；太阳能-热能、地热能和生物质-热能以热能形式储存。电机的类型一般都基于这些储能形式。

　　风能基本上是空气运动的动能。一般来说，风能首先转化为风力涡轮机的旋转动能，然后通过电机转化为电能。风力涡轮机的典型规模从1.5兆瓦到1.5兆瓦不等。一组风力涡轮机构成一个风电场。

　　目前，最大的风电场是印度的杰萨尔梅尔风电场，其装机容量为1064兆瓦。对于定速风力涡轮机，相应的电机通常采用可直接向电网供电的同步发电机（SG）或感应发电机（IG）。为了有效捕捉不同风速下的风能，变速风力涡轮机正成为发展趋势。

　　变速风力涡轮机有三种主要的竞争机器技术：直接耦合IG、功率调节双馈IG（DFIG）和功率调节IG或永磁SG（PMSG）。直接耦合的IG可以提供可变的滑差值，以充分满足电网的要求。然而，允许的速度变化是有限的，而增大滑差会导致效率显著降低。

　　为了实现大范围的速度变化，功率调节式双馈互感器被广泛采用。它采用两个背靠背的交直流转换器（即所谓的交直流-交流转换），通过滑环和碳刷控制转子电流，从而在风力涡轮机转速变化时保持输出频率与电网同步。这种功率调节安排的优点是，变流器无需处理发电机的全部输出功率，从而降低了发电机的功率消耗。

　　然而，它也存在滑环和碳刷的缺点，如体积庞大和需要定期维护。为了提供全运行速度范围，同时避免使用滑环和碳刷，最好采用功率调节式IG。在没有转子铜损的情况下，功率调节型PMSG越来越具有吸引力，因为它具有更高的效率和功率密度。

　　这种布置的主要缺点是需要与发电机额定功率相同的功率转换器。风力发电的主要挑战是间歇性发电、难以利用低风速、采用SG或DFIG或使用机械变速箱时需要定期维护，以及在风速时变的情况下运行效率低下。特别是机械齿轮箱需要定期润滑，甚至在长期运行后需要更换。

　　波浪能是海洋能（或称海洋动力）的一种，代表海洋表面波运动的动能。虽然全球波浪发电的潜力估计高达每年12500太瓦时，但波浪发电厂的发展却非常缓慢。

　　目前已开发出多种波浪发电原型，但都无法并网发电。波浪能发电系统一般按波浪能转换器的类型进行分类，包括翻腾浮标、阿基米德摆浪、振荡水柱、锥形通道、彭杜洛装置、佩拉米斯、波浪龙、软管泵、管泵和丹麦波浪能浮泵等。

　　同时，相应的发电机可分为旋转发电机和直线发电机。由于波浪发电是以缓慢的往复直线运动形式进行的，因此旋转式发电机需要额外的线-转机构，体积大、重量重、效率低。相反，如上图所示，线性发电机可直接捕捉起伏浮标和阿基米德波摆动产生的线性波浪运动进行发电。与现有的风力发电类似，SG、IG、DFIG和PMSG适用于现有的采用旋转涡轮机或液压机构的波浪发电。

　　为了直接捕捉波浪的线性往复运动，最好采用线性PMSG（LPMSG），因为SG、IG和DFIG的线性版本相对笨重且效率较低。

　　波浪发电面临的主要挑战有：间歇性发电、难以捕捉缓慢的线性往复波浪运动、采用SG或DFIG时需要定期维护、齿轮箱或线性-旋转机构的机械问题以及恶劣和腐蚀性的运行环境。特别是，很难对这些浸没在水中的机械装置进行定期润滑或维护。

　　水力发电是最成熟的可再生能源采集技术，它利用淡水流向海洋的特性来发电。最明显、最成功的方法是利用大坝建造水库，将大坝上下游水位的势能差转化为电能。这种装置的功率从几十兆瓦到几千兆瓦不等。

　　世界上最大的水电站是中国的三峡大坝，其装机容量为22500兆瓦。大型水电站以大型水坝为基础，通常位于偏远地区，而小型水电站（通常为10千瓦至30兆瓦）可以以河流流量为基础，即所谓的径流式水电站，通常位于用户附近。

　　有时，小水电的分类更为详细：微型水电站（10-100千瓦）、小型水电站（100-500千瓦）和小型水电站（500千瓦至30兆瓦）。现有的水力压榨机有多种机器技术。对于大型水电站来说，通过大坝的水流几乎是恒定的，因此几乎只能使用SG。虽然这种SG具有技术成熟、额定功率极高的绝对优势，但它也存在着不可避免的场回路功率损耗以及需要定期维护滑环和碳刷的缺点。

　　因此，其主要挑战在于如何在保持如此高额定功率的同时，消除场回路以及相应的滑环和碳刷。另一方面，对于小型水电站，尤其是径流式水电站，水流变化很大，而发电功率却不是很高。因此，与SG相比，人们更倾向于使用带功率调节功能的IG或PMSG。相应的挑战是如何处理变化的河流流量，如何利用缓慢的水流，以及如果使用机械齿轮箱是否需要定期维护。

　　潮汐发电是一种相对成熟的海洋发电方式，它利用海水在涨潮和退潮之间的流动来发电。潮汐发电的一种常见方式称为拦潮坝，它在涨潮时将水拦截在坝中，然后在落潮时将水释放出来，将势能转化为电能，即大约每12小时一次；而另一种方式称为潮汐流，它在涨潮和落潮之间将水流的动能转化为电能，即大约每6小时一次。

　　与水力发电不同，潮汐发电受时间影响很大。然而，与风力发电不同，潮汐发电具有很强的可预测性。第一座潮汐发电站于1996年在法国拉朗斯建成，该发电站以潮汐拦河坝为基础，装机容量为240兆瓦。虽然潮汐发电的潜力非常大，全球每年约有180太瓦时的发电量，但潮汐发电站的发展缓慢。

　　世界上最大的潮汐发电站是2011年建成的韩国西华湖潮汐发电站，也是潮汐拦河坝类型，装机容量为254兆瓦，45年后才略微超过兰斯潮汐发电站的装机容量。世界上第一个潮汐流发电站于2008年在北爱尔兰的斯特兰福德湖建成，装机容量为1.2兆瓦。

　　与大型水电站类似，潮汐拦河坝也能产生近恒定水流发电量高，因此几乎只使用SG。与此同时，与径流式水力发电类似，潮汐水流也涉及时变水流，但最多只能产生几兆瓦的功率。因此，带功率调节功能的IG或PMSG比SG更受青睐。除了与大型水力发电和径流式水力发电类似的挑战之外，潮汐发电的电机还不可避免地面临着提供足够的海水腐蚀保护的挑战。

　　太阳能是指地球从太阳获取的能量。将太阳能转化为电能有两种基本技术：一种是太阳能-电力（通常称为光伏装置），它利用具有光伏效应的半导体将太阳辐射直接转化为直流电；另一种是太阳能-热能（称为聚光太阳能装置），它利用太阳能抛物面槽和太阳能塔将太阳光聚光，使水沸腾，进而驱动蒸汽涡轮机和发电机发电。

　　两者之间，太阳能热发电的单位千瓦时成本要低得多，因此更适合在沙漠地区等地安装大型太阳能发电装置。世界上最大的太阳能热发电装置是位于美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠的太阳能发电系统，该系统由9个发电厂组成，涡轮机发电能力为14-80兆瓦，共有936384块反射镜，覆盖面积超过6.5平方公里，装机容量为354兆瓦。

　　与传统的火力发电厂类似，太阳能热发电也是以蒸汽轮机为基础的，因此蒸汽轮机得到了广泛应用。同时，对于小型光热发电装置，IG具有成本低、无需维护等优点。

　　光热发电面临的主要挑战是如何有效和高效地储存从太阳光中获取的热能，以便在阴天或夜间保持发电。电机方面的其他挑战是如何摆脱SG的场回路及相应的滑环和碳刷，以及如何提高IG的效率、功率密度和功率因数。

　　地热发电是从地壳中提取热量，驱动一个或多个蒸汽涡轮机，从而带动一个或多个发电机发电。主要有三种地热发电技术：即干蒸汽发电厂，直接利用至少150oC的地热蒸汽驱动涡轮机发电；闪蒸汽发电厂，将至少182oC的高压地热热水转移到低压罐中，利用产生的闪蒸汽驱动涡轮机发电；二元循环发电厂，从至少57oC的地热热水中提取热量，通过热交换器使二次流体闪蒸汽，然后驱动涡轮机发电。

　　据估计，全世界地热发电的潜力为每年67太瓦时。目前，最大的地热发电装置是加利福尼亚州的间歇泉，它有22个地热发电厂和350多口井，装机容量为1517兆瓦。与其他传统火力发电厂类似，地热在发电领域，蒸汽轮机或燃气轮机被广泛使用。

　　当然，SG具有效率高、额定功率大的优点，而IG则具有更坚固、成本低、免维护的优点。然而，与其他火力发电系统类似，使用SG和IG的缺点仍然是有待解决的难题。

　　生物质发电是利用生物材料发电，可以通过直接燃烧残留物、废物和甘蔗渣等生物质燃料，或转化为其他能源产品，如液体生物燃料和可燃沼气，然后为发电厂提供燃料。目前，生物质发电主要以生物质热电厂为基础，这些热电厂燃烧木材和农业废料，为发电提供蒸汽。

　　与其他火力发电厂类似，生物质热发电以蒸汽轮机或燃气轮机为基础，因此广泛采用SG或IG。虽然生物质燃料资源丰富，原料成本很低，但生物质热发电的主要挑战是原料的运输成本。

　　因此，并网发电的小型或微型生物质热电站变得越来越有吸引力，因为这些电站现场有足够的原料。虽然SG和IG有其自身的缺点，但为这种小型或微型生物质热发电开发新的电动机械仍具有挑战性。

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