邱爰超, 郭楊陽(yáng), 王 斌

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 ， 湖北 武漢 430063)

我國(guó)近海風(fēng)資源十分豐富，初步估算為 7.5 億kW[1]，為陸地風(fēng)力資源的3倍，可開(kāi)發(fā)的海流能約為30 GW[2]．目前，海上利用清潔能源發(fā)電系統(tǒng)廣泛采用柱狀式結(jié)構(gòu)來(lái)固定，這在離陸地相對(duì)遠(yuǎn)的海區(qū)內(nèi)制造費(fèi)用相對(duì)較高，且開(kāi)發(fā)能源種類(lèi)非常單一．而本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)力、洋流、太陽(yáng)能的綜合發(fā)電，凸顯低碳能源開(kāi)發(fā)的集成本色．

1 浮體平臺(tái)設(shè)計(jì)

綜合發(fā)電平臺(tái)呈正六邊形結(jié)構(gòu)，在正六邊形的每個(gè)角及正六邊形的中心上各設(shè)有一個(gè)獨(dú)立的浮體．正六邊形的中央浮體與各個(gè)角浮體之間、相鄰的角浮體之間通過(guò)支撐浮體相連從而組成一個(gè)整體骨架平臺(tái)，整體骨架平臺(tái)上方設(shè)有甲板，甲板上鋪設(shè)有太陽(yáng)能電池板．在各角浮體上還設(shè)有進(jìn)排水腔室，以便于在安裝時(shí)調(diào)節(jié)整體骨架平臺(tái)的水平度(圖1)．

圖 1 漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)三維立體圖

另外，定位機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能裝置、電力并網(wǎng)控制系統(tǒng)安裝于中心附體上．每個(gè)角浮體上有一個(gè)帶有錘擺的風(fēng)力渦輪機(jī)、洋流渦輪機(jī)以及連接它們的雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)，此外還有用于動(dòng)力定位的推進(jìn)器．

2 渦輪機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力渦輪機(jī)

風(fēng)力渦輪機(jī)采用垂直軸式風(fēng)力機(jī)，風(fēng)機(jī)葉片整體為“H”型，三葉片結(jié)構(gòu)(圖2)．垂直軸式風(fēng)力機(jī)在克服“對(duì)風(fēng)損失”和“疲勞損耗”上有水平軸風(fēng)力機(jī)不可比的優(yōu)點(diǎn)[3]．此外，其構(gòu)造緊湊，活動(dòng)部件少于水平軸風(fēng)力機(jī)，可靠性較高，并且它在低風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)電量也較大，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)因變形而改變效率．

圖 2 垂直軸式風(fēng)力機(jī)效果示意圖

風(fēng)力機(jī)主轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩側(cè)分別增加兩個(gè)成180°對(duì)稱(chēng)布置的擺錘結(jié)構(gòu)．當(dāng)風(fēng)力變小時(shí)，能通過(guò)擺錘的慣性阻止風(fēng)機(jī)葉片的減速；當(dāng)風(fēng)力變大時(shí)，擺錘可吸收一部分風(fēng)能，從而避免風(fēng)機(jī)葉片的速度過(guò)快．這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠增加風(fēng)能的利用率，使裝置能平穩(wěn)地順應(yīng)風(fēng)力的變化，增加系統(tǒng)穩(wěn)性，但是它的啟動(dòng)風(fēng)速將會(huì)增大．

2.2 洋流渦輪機(jī)設(shè)計(jì)

洋流渦輪機(jī)是流體能量的轉(zhuǎn)換裝置，它把流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成渦輪機(jī)的機(jī)械能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，把機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成電能．海流能發(fā)電原理與風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電原理相似，是利用流動(dòng)的介質(zhì)來(lái)推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電．這里同樣采用豎直式渦輪機(jī)，其葉片成流線型機(jī)翼狀，葉片整體采用“H”型，六葉片結(jié)構(gòu)(圖3)．在水流流過(guò)葉片時(shí)利用其受到的升力，能夠很好地利用洋流能．

圖 3 洋流渦輪機(jī)效果示意圖

渦輪機(jī)采用特殊的復(fù)合材料制成，材料的抗拉能力是鋼材的10倍以上[4]，這種材料制成的渦輪機(jī)在風(fēng)暴中遭受毀滅性破壞的可能性不大．豎直式渦輪機(jī)由于其自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),其抗毀能力遠(yuǎn)比水平式渦輪機(jī)強(qiáng)大得多．

2.3 雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)

采用雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)(圖5)連接風(fēng)力渦輪機(jī)和洋流渦輪機(jī)，風(fēng)力渦輪機(jī)和洋流渦輪機(jī)分別連接雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子．這兩個(gè)渦輪機(jī)的葉片安裝方向相反，在外力的作用下，這兩個(gè)渦輪機(jī)繞發(fā)電平臺(tái)中心軸做互相逆向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的內(nèi)外轉(zhuǎn)子逆向旋轉(zhuǎn)發(fā)電．如圖6中內(nèi)轉(zhuǎn)子16和外轉(zhuǎn)子17逆向旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)具有增能效應(yīng)，將產(chǎn)生1+1>2的效果．也就是說(shuō)利用逆向旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能大于分別利用風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電所產(chǎn)生的電能之和．

圖 4 雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)

1-風(fēng)力機(jī)葉片；2-連接法蘭；3-垂擺；4-內(nèi)轉(zhuǎn)子軸；5-外轉(zhuǎn)子軸；6-內(nèi)轉(zhuǎn)子；7-外轉(zhuǎn)子；8-渦輪連接軸；9-洋流渦輪機(jī)葉片圖 5 風(fēng)力、洋流發(fā)電機(jī)的安裝示意圖

3 展望

漂浮式發(fā)電平臺(tái)不僅能解決固定式支撐基礎(chǔ)造價(jià)高、施工復(fù)雜的難題[5]，而且根據(jù)不同海域的具體情況，可以多個(gè)平臺(tái)組合成蜂窩狀進(jìn)行陣列式組合成為一個(gè)大型的“能源島”，可大可小，結(jié)構(gòu)空間利用率高并且穩(wěn)定．隨著我國(guó)能源需求量的急劇攀升以及傳統(tǒng)化石能源即將消耗殆盡，清潔能源的開(kāi)發(fā)利用迫在眉睫．此外，現(xiàn)在海上單一發(fā)電模式的相關(guān)技術(shù)日益成熟，這些條件將使海上綜合發(fā)電平臺(tái)具有很大的市場(chǎng)潛力．

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉根東.全球海上風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r[J].風(fēng)力發(fā)電，2003(4):34-37.

[2] 司占博,鄭衛(wèi)剛.風(fēng)力水流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研究[J].電力電子,2012(1):40-43.

[3] 楊國(guó)良,張廣路.垂直軸磁懸浮風(fēng)電系統(tǒng)神經(jīng)模糊PID懸浮控制[J].微電機(jī),2010(8):41-46.

[4] 章利軍.碳纖維對(duì)橋梁構(gòu)件抗彎加固的應(yīng)用研究[D].杭州:浙江大學(xué),2008.

[5] 趙 靜,張 亮.模型試驗(yàn)技術(shù)在海上浮式風(fēng)電開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力,2011,44(9):55-60.