姚震球，姚　瀟，史騰飛，周偉楠

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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海上漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)設(shè)計(jì)

姚震球，姚瀟，史騰飛，周偉楠

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：針對(duì)海島區(qū)域的孤立性、海上環(huán)境的復(fù)雜惡劣性以及波浪發(fā)電的不穩(wěn)定性，結(jié)合風(fēng)能、太陽能、潮汐能及波浪能發(fā)電的特征，提出一種新型的海上漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)，該平臺(tái)可以綜合利用風(fēng)電、太陽能、潮汐能、波浪能等能源，同時(shí)還可以為海島提供大型養(yǎng)殖網(wǎng)箱。

關(guān)鍵詞：海上漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)；風(fēng)能；波浪能

0引言

隨著大氣污染問題越來越嚴(yán)重，環(huán)境問題變得尤為重要，為此，人們將目光投向再生能源，如大海上的風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、波浪能發(fā)電以及潮汐能發(fā)電，這些儲(chǔ)量大、可再生、有規(guī)律、無污染的能源將成為最具商業(yè)潛力與活力的綠色能源。目前，海上風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)采用的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)只適合在固定風(fēng)向的近海區(qū)域建造，這樣在相對(duì)遠(yuǎn)的海區(qū)以及風(fēng)向多變區(qū)域能效較低，并且在開發(fā)近海海洋清潔能源時(shí)只針對(duì)風(fēng)力發(fā)電，忽視潮汐能、波浪能等能源。在能源短缺而環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天，如何綜合高效地利用綠色環(huán)保的海上風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、波浪能發(fā)電以及潮汐能進(jìn)行發(fā)電，已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

海上浮式水平軸風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)[1—2]主要有單浮筒、三浮筒、多浮筒等形式，其重心高，導(dǎo)致浮筒平臺(tái)巨大。單浮筒、三浮筒形式只能安裝1臺(tái)風(fēng)機(jī)，功能單一，而目前的多浮筒形式，由于風(fēng)機(jī)間距巨大(否則對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電影響較大)，浮筒間聯(lián)結(jié)鋼架巨大等原因，均不合適在海島區(qū)域[3]。

本平臺(tái)可以綜合利用風(fēng)電、太陽能、潮汐能、波浪能等能源，同時(shí)可為海島提供大型養(yǎng)殖網(wǎng)箱。其設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了多功能發(fā)電的工業(yè)需求，同時(shí)也發(fā)展了海洋漁業(yè)養(yǎng)殖。

1平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

多功能組合式海洋發(fā)電平臺(tái)是集風(fēng)力、太陽能、潮汐、波浪等多種發(fā)電和漁業(yè)養(yǎng)殖為一體的綜合型平臺(tái)，可組合成多單元發(fā)電平臺(tái)集群。集聚群包括若干個(gè)均為多邊形的發(fā)電平臺(tái)本體，每個(gè)發(fā)電平臺(tái)本體包括浮筒平臺(tái)、垂直軸向風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能發(fā)電單元、潮汐能發(fā)電單元、波浪發(fā)電單元和海洋養(yǎng)殖區(qū)。采用上述結(jié)構(gòu)后，能集風(fēng)力、太陽能、潮汐、波浪等多種發(fā)電和漁業(yè)養(yǎng)殖為一體。不僅如此，還能解決浮筒間剛性聯(lián)結(jié)方式因跨距大帶來的結(jié)構(gòu)問題，各個(gè)垂直軸向風(fēng)力發(fā)電機(jī)相互間干擾距離小，發(fā)電機(jī)組在平臺(tái)上重心較低，浮筒間距小，并能收集波浪能源，減緩波浪對(duì)浮筒的沖擊。該平臺(tái)的立體結(jié)構(gòu)示意圖以及側(cè)視圖分別如圖1、圖2所示。該平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)圖3所示。

2平臺(tái)功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電是世界上發(fā)展最快也是比較成熟的綠色能源技術(shù)，世界風(fēng)力發(fā)電正以每年大于30%的速度發(fā)展，部分國家甚至達(dá)到60%以上。而我國沿海擁有非常豐富的風(fēng)能資源[5]，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億 kW。風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能的過程。本設(shè)計(jì)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)均為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，每個(gè)垂直軸向風(fēng)力發(fā)電機(jī)均包括1根固定設(shè)置于控制室頂部的塔柱和繞塔柱設(shè)置的若干片風(fēng)葉。每個(gè)垂直軸向風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)部件均位于控制室內(nèi)，從而使整個(gè)垂直軸向風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重心下移，具有較高的抗強(qiáng)風(fēng)能力。同時(shí)這樣布置可以充分利用各個(gè)方向的風(fēng)能，提高發(fā)電效率。

1.垂直軸向風(fēng)力發(fā)電機(jī)　2.波浪發(fā)電浮筒　3.浮筒平臺(tái)

1.垂直軸向風(fēng)力發(fā)電機(jī)　2.波浪發(fā)電浮筒　4.潮汐能發(fā)電單元

圖3　海上漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2太陽能發(fā)電系統(tǒng)

海上空氣清新，潔凈度高，日照強(qiáng)烈，是利用太陽能的最佳場(chǎng)所。本設(shè)計(jì)中，所有的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉表面和塔筒表面均覆蓋有太陽能發(fā)電板，在風(fēng)力發(fā)電的同時(shí)，風(fēng)葉能夠大面積地吸收太陽能，實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電。

2.3潮汐能發(fā)電系統(tǒng)

潮汐能是以勢(shì)能與動(dòng)能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能，它包括潮汐和潮流2種運(yùn)動(dòng)方式所包含的能量。潮水在漲落中蘊(yùn)含著巨大的能量，這種能量用之不竭并且無污染[6]。

在設(shè)計(jì)中，在漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)的底部用可升降的活動(dòng)連接桿連接潮汐能發(fā)電機(jī)組。在運(yùn)輸和安裝過程中，潮汐能發(fā)電機(jī)組可收至主浮筒中。當(dāng)海上漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)到達(dá)指定投放點(diǎn)時(shí)，潮汐能發(fā)電機(jī)組緩慢下降，離開主浮筒艙室，根據(jù)海況和海水深度調(diào)整升降距離，進(jìn)行調(diào)試。

潮汐發(fā)電系統(tǒng)立體圖如圖4所示。潮汐能發(fā)電機(jī)組由葉片、發(fā)電機(jī)組主體和魚尾形尾板組成。潮汐能發(fā)電機(jī)組浸沒在水中，魚尾形尾板使之能夠跟隨海流自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至來流方向，充分利用海洋中各個(gè)方向的來流。整個(gè)發(fā)電機(jī)組利用海水漲落所產(chǎn)生的動(dòng)能和勢(shì)能，帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。潮汐能發(fā)電機(jī)組的葉片不僅可以表現(xiàn)為如圖4所示的三葉式，也可在主機(jī)輪后加設(shè)多組小機(jī)輪，成一大多小的機(jī)輪組，盡可能多地利用海洋流。

當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，攪動(dòng)水流可以增大水中的含氧量，有利于平臺(tái)中間養(yǎng)殖區(qū)域魚苗的生長。

整個(gè)平臺(tái)是單個(gè)單元的發(fā)電平臺(tái)，也可以是多個(gè)單元組合成一個(gè)發(fā)電集群；漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)可組合成沿島嶼呈線狀分布，也可沿海岸線分布，或者呈蜂窩狀排列組合，形成利用海洋流發(fā)電的集群，并且克服現(xiàn)有潮汐能發(fā)電器械固定的缺點(diǎn)。

33.主浮筒　41.活動(dòng)連接桿　42.葉片；

2.4波浪能發(fā)電系統(tǒng)

波浪能發(fā)電是以波浪的能量為動(dòng)力生產(chǎn)電能。海洋波浪蘊(yùn)藏著巨大的能量，全球有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的波浪能開采量估計(jì)為1～10億kW，其中中國波浪能的理論儲(chǔ)量約為7 000萬kW[7—8]。

本設(shè)計(jì)中，可集聚的多功能組合式海洋發(fā)電平臺(tái)，各個(gè)浮筒平臺(tái)通過V形支撐架與多節(jié)波浪發(fā)電浮筒相連接，波浪發(fā)電浮筒之間通過萬向節(jié)相連，用連接法蘭連接；波浪發(fā)電浮筒跟隨波浪上下前后移動(dòng)拉壓液壓泵的活塞環(huán)上下移動(dòng)，使波浪發(fā)電浮筒內(nèi)的液壓泵腔內(nèi)的容積頻繁的增大和縮小，從而反復(fù)完成液壓泵的吸油和壓油過程，將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的壓力能。當(dāng)活塞向內(nèi)壓縮時(shí)，液壓油通過單向閥(出)進(jìn)入儲(chǔ)能器，然后帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，流經(jīng)變速箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電；液壓油從液壓馬達(dá)流出進(jìn)入低壓油箱，當(dāng)活塞向外拉伸時(shí)，低壓油箱內(nèi)液壓油經(jīng)過定向閥(進(jìn))流回活塞式液壓腔。波浪發(fā)電浮筒剖視圖如圖5所示。

2.波浪發(fā)電浮筒　6.支撐架　21.液壓泵　 22.儲(chǔ)能器

2.5養(yǎng)殖系統(tǒng)

本平臺(tái)具有漁網(wǎng)，可在海洋養(yǎng)殖區(qū)中使用，其結(jié)構(gòu)主要由鉤掛于各節(jié)波浪發(fā)電浮筒上的漁網(wǎng)圍合而成，漁網(wǎng)為多節(jié)的，能實(shí)現(xiàn)深海魚種和淺海魚種的多層次養(yǎng)殖。漁網(wǎng)沿多邊形的周向均勻設(shè)置若干根能夠上浮和沉降的牽引繩，牽引繩的上浮和沉降優(yōu)選由設(shè)置在控制室內(nèi)的電動(dòng)絞盤進(jìn)行控制，從而便于養(yǎng)殖和收獲。漁網(wǎng)的中部設(shè)置有零浮力圓環(huán)，零浮力圓環(huán)的重力與浮力相等；漁網(wǎng)的底部設(shè)置有底部支撐框架。在海洋養(yǎng)殖區(qū)大規(guī)模設(shè)置該平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域的工業(yè)和漁業(yè)雙用途，在空間上擴(kuò)大了海洋的可利用區(qū)域。

3結(jié)論

漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)充分利用了自然界中的綠色能源，如大海中的風(fēng)力發(fā)能、太陽能、波浪能以及潮汐能，這些儲(chǔ)量大、可再生、有規(guī)律、無污染的能源集合在同一平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)同一平臺(tái)的多功能發(fā)電，充分挖掘了海上風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)的潛力。此外，還具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)以及各個(gè)平臺(tái)之間的連接部分均可拆卸組合，便于整個(gè)發(fā)電平臺(tái)的安裝、組合、維修，并具有一定的抗臺(tái)風(fēng)性。

(2)漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)各個(gè)平臺(tái)之間柔性連接，可以通過組合變成各種形狀的發(fā)電平臺(tái)，并且各個(gè)平臺(tái)間能夠相互組合，成為一個(gè)巨大的發(fā)電集群，能夠適用于不同的海洋環(huán)境，應(yīng)用范圍廣泛。

(3)漂浮式綜合發(fā)電平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)工業(yè)發(fā)電的同時(shí)，兼顧漁業(yè)養(yǎng)殖，實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域的工業(yè)和漁業(yè)雙用途，空間上擴(kuò)大了海洋的可利用區(qū)域。

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中圖分類號(hào)：U674.38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：姚震球(1964—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾麓脱芯?、船舶設(shè)計(jì)；姚瀟(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾麓脱芯?、船舶設(shè)計(jì)；史騰飛(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉创伴_發(fā)與設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-11-20