新型海洋能綜合利用發(fā)電平臺設(shè)計

柳博瀚 付宗國等

摘 要：為了充分利用海洋可再生能源，文章設(shè)計出全新海洋能發(fā)電裝置，能同時將海上風(fēng)能，海面波浪能，水下海流能發(fā)電設(shè)施集中在一臺機組上，每個模塊全采用驅(qū)動液壓，將分散的能量以液壓能的形式集聚推動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)多種能量耦合互補，聚集能量，提高發(fā)電效率，保證裝置發(fā)電穩(wěn)定。整個裝置采用模塊化組合設(shè)計，可以降低單位造價和海上運輸施工成本，解決了海洋能發(fā)電效率低而且不穩(wěn)定的問題，是一種高性價比的海洋能開發(fā)方式，可作為海洋平臺的輔助設(shè)備或為離島供電，具有重要經(jīng)濟價值和社會意義。

關(guān)鍵詞：海洋能發(fā)電裝置；液壓驅(qū)動；風(fēng)能；潮流能；波浪能

前言

隨著人類不斷加大化石燃料開采力度，傳統(tǒng)能源逐漸枯竭。能源短缺已經(jīng)成為當(dāng)今世界不得不面對的共同問題，因此各國都投入大量人力、物力進行可再生能源的開發(fā)研究[1]。

海洋能的研發(fā)成為各國關(guān)注的焦點，首先海洋能在海洋總水體中的蘊藏量巨大，而單位體積、單位面積、單位長度所擁有的能量較小。這就是說，要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。其次海洋能具有可再生性。海洋能來源于太陽輻射能與天體間的萬有引力，只要太陽、月球等天體與地球共存，這種能源就會再生，就會取之不盡，用之不竭[2]。然而海洋能利用有著諸多問題，比如發(fā)電效率低，周期不穩(wěn)定等，文章利用風(fēng)能，海流能，波浪能聯(lián)合發(fā)電，提高了發(fā)電效率，利用驅(qū)動液壓，可以使裝置發(fā)電穩(wěn)定。

1 總體設(shè)計

海洋風(fēng)能-波浪能-潮流能綜合液壓驅(qū)動發(fā)電裝置的設(shè)計目標(biāo)是提高海洋能源的利用效率，降低海洋能源發(fā)電的成本[3]。模式化組合設(shè)計可以提高裝置的使用壽命，降低裝置的成本，并使裝置可以得到更快的普及。

如圖1所示，本裝置主要包括：風(fēng)力轉(zhuǎn)換模塊、集總液壓驅(qū)動發(fā)電模塊、波浪轉(zhuǎn)換模塊、海流能轉(zhuǎn)換模塊、連接立柱、支撐橫梁、固定樁座等組成。

風(fēng)力轉(zhuǎn)換模塊是風(fēng)力吹動豎軸風(fēng)機帶動產(chǎn)生高壓液壓流動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為液壓能；波浪轉(zhuǎn)換模塊是起伏的波浪帶動振蕩浮子運動，驅(qū)動高壓液壓流動，將波浪能轉(zhuǎn)化為液壓能；海流能轉(zhuǎn)換模塊是海流沖擊導(dǎo)流罩渦輪轉(zhuǎn)動，帶動液壓轉(zhuǎn)動，將海流能轉(zhuǎn)化為液壓能[4]。上述三種轉(zhuǎn)化液壓能通輸送到集總液壓驅(qū)動發(fā)電模塊中，將所有液壓能量匯總，統(tǒng)一將海洋能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能，消除了單個能量不穩(wěn)定的情況，形成多種能量互補。連接立柱、支撐橫梁和固定樁座將各模塊緊固在一起，以抵擋風(fēng)浪的沖擊。

2 發(fā)電模塊裝置

2.1 液壓系統(tǒng)

集總液壓驅(qū)動發(fā)電模塊由進出油管、進出油管、液壓馬達(dá)、發(fā)電機、油箱、蓄能囊、內(nèi)部油管、防護箱、信號收發(fā)器、主控制器等組成，如圖2所示。

防護箱對精密的主控制器實現(xiàn)安全保護，屏蔽惡劣環(huán)境。主控制器采用電液比例技術(shù)調(diào)節(jié)流量，最終實現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出。信號收發(fā)器實現(xiàn)主控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通信，實時傳授監(jiān)測以控制信號。

從波浪轉(zhuǎn)換模塊、海流能轉(zhuǎn)換模塊傳來的高壓液壓油通過進出油管進入通過由進出油管與第一個凈化器連接處的一根油管進入凈化器。接著通過凈化器除去雜質(zhì)和水分然后進入油箱，再通過內(nèi)部油管流入蓄能囊內(nèi)，蓄能囊能消除干擾與流體波動，能量蓄積后以穩(wěn)定的流量推動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，液壓油壓力消耗后流回油箱，油箱內(nèi)液壓油再通過凈化器和進出油管連接的另一個油管送回到波浪轉(zhuǎn)換模塊和海流能轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)循環(huán)流動。

2.2 風(fēng)能發(fā)電模塊

風(fēng)力轉(zhuǎn)換模塊是由葉柄、垂向葉片、轉(zhuǎn)動軸承、液壓泵、進出油管等組成。葉柄將四個垂向葉片與轉(zhuǎn)動軸承連接在一起，風(fēng)吹動垂向葉片帶動液壓泵轉(zhuǎn)動，液壓泵通過進出油管將升壓的液壓油連入集總液壓驅(qū)動發(fā)電模塊中，如圖3所示。

在本裝置中，要求裝置有一定的抗風(fēng)浪的能力。故而要盡可能地降低裝置的重心，所以采用重心低的豎軸風(fēng)力發(fā)電裝置。并且近海海況通常情況下風(fēng)力不大，因而不會產(chǎn)生風(fēng)力過大導(dǎo)致裝置速度難以控制的情況，同時豎軸風(fēng)力發(fā)電裝置可以比橫軸風(fēng)力發(fā)電裝置更好的適應(yīng)近海地區(qū)風(fēng)力的不穩(wěn)定性（豎軸風(fēng)力發(fā)電裝置可以適合萬向風(fēng)）。且因為其結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，可以大大的減少成本。

2.3 波浪能發(fā)電模塊

振蕩浮子式裝置結(jié)構(gòu)，如圖4所示，波浪轉(zhuǎn)換模塊由連接支管、振蕩浮子、油缸、活塞、進出油管和導(dǎo)桿組成[5]。起伏的波浪帶動振蕩浮子上下運動，進而帶動活塞沿著導(dǎo)桿在油缸內(nèi)上下運動，實現(xiàn)上下交替抽油排油，液壓油經(jīng)過進出油管與集總液壓驅(qū)動發(fā)電模塊相連，最終振蕩浮子實現(xiàn)往復(fù)抽油與壓油，提供高壓液壓油，而連接支管將模塊組合在主體上，進行液壓油往復(fù)循環(huán)。

為本裝置振蕩浮子的一個簡化形式，本裝置采用固定式振蕩浮子[6]。因為本裝置的設(shè)計使用水深較小，固定方式采用直接錨固與海底的固定方式，發(fā)電效率較高[7]。

本裝置采用液壓推動式能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，平滑了液壓功率和壓力的波動，提高了可靠性，發(fā)電功率和發(fā)電穩(wěn)定性。當(dāng)波浪較小時，蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)起儲能作用，將過小能流的液壓能儲存起來，再以最大功率釋放，實現(xiàn)間斷發(fā)電，以避免功率太小導(dǎo)致效率下降。該系統(tǒng)根據(jù)液壓平衡原理打開或關(guān)閉液壓馬達(dá)上游的閥門，在浪時能實現(xiàn)間斷發(fā)電。顯然上述控制系統(tǒng)實際上也適用于大浪的連續(xù)發(fā)電工作情況。在大浪時儲蓄穩(wěn)壓系統(tǒng)的的壓力在Pmax-Pmin之間，當(dāng)壓力提高時，液壓馬達(dá)的排量會自動加大，反之變小，形成負(fù)反饋。再加上穩(wěn)壓系統(tǒng)的儲能作用，當(dāng)波浪大到一定程度時，自動進入連續(xù)發(fā)電的工作狀況。

2.4 潮流能發(fā)電模塊

導(dǎo)流罩的原理與擴散器相似，利用壁面型線對流場的干擾，使更多的流體可以流入罩內(nèi)，提高罩內(nèi)的流速。將輪機置于導(dǎo)流罩內(nèi)部，相當(dāng)于增大了來流速度，從而提高了輪機功率[8]。彈簧控角水輪機功率特性的實驗曲線證明，帶擴張門的導(dǎo)流罩可以將葉輪的能量利用率峰值提高47.8%，同時擴大了葉輪高效運轉(zhuǎn)的速比范圍[9]。

如圖5所示，潮流能轉(zhuǎn)換模塊是由導(dǎo)流罩、葉輪、輪軸、固定板、液壓泵、進出油管等組成。

張口的導(dǎo)流罩將潮流聚集沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，通過輪軸帶動液壓泵運轉(zhuǎn)，通過進出油管將升壓的液壓油通入集總液壓驅(qū)動發(fā)電模塊，進行液壓油往復(fù)循環(huán)。

3 總結(jié)與展望

文章介紹一種新型海洋多能發(fā)電平臺， 文章從發(fā)電平臺的總體介紹， 各個模塊獲能裝置的設(shè)計，液壓系統(tǒng)的設(shè)計以及發(fā)電裝置等幾個方面研究。本研究設(shè)計的裝置可以在近海和近岸使用，面對的對象也不相同。在近岸范圍，可以并入陸地電網(wǎng)進行發(fā)電。如果在養(yǎng)殖場附近的話也可以給養(yǎng)殖場提供電源，在堤壩旁可以給堤壩的基礎(chǔ)設(shè)施比如路燈，燈塔之類的海上、海島設(shè)施發(fā)電。在近海范圍，本裝置可以給海洋平臺發(fā)電，比如對海洋鉆井平臺來說，對電的需求極大，本裝置可以作為海洋平臺的附屬裝置，能極大減少海洋平臺對外界電流的需求節(jié)約成本，減少能源消耗。本裝置可以根據(jù)實際海況和應(yīng)用需求而調(diào)整模塊組成，進行快速組合。文章設(shè)計的海洋風(fēng)能-波浪能-潮流能綜合液壓驅(qū)動發(fā)電裝置效率更高，是能大規(guī)模推廣的創(chuàng)新理念。

參考文獻(xiàn)

[1] R.Curran， T. J. T.Whittaker， T. P.Stewart. Aerodynamic Conversion of Ocean Power From Wave To Wire [J].Energy Conversion and Management， 1998，39（16-18）：1919～1929.

[2]施偉勇，王傳岜，沈家法，等.中國的海洋能資源及其開發(fā)前景展望[J].太陽能學(xué)，2011，32（6）：913-923.

[3]一種多功能綜合液壓驅(qū)動發(fā)電裝置[P].中國，CN103174580A.

[4]熊焰，王海峰，崔琳，等.大管島多能互補獨立發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量設(shè)計[J].海洋技術(shù)，2009，28（1）：101～103.

[5]石世寧， 耀保.擺式海洋波浪能量轉(zhuǎn)換原理與應(yīng)用[J].液壓氣動與密封，2013，33（1）：1-5

[6]歷福偉.浮子形狀對振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置發(fā)電效率的影響[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[7]王貴彪，李德堂，謝永和.波浪發(fā)電裝置浮筒及導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)強度分析[J].中國造船，2012（4）：157-163.

[8]張亮.潮流水輪機導(dǎo)流罩的水動力設(shè)計[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2007，28（7）：735-737.

[9]林勇剛，李偉，劉宏偉，等.水下風(fēng)車海流能發(fā)電技術(shù)[J].浙江大學(xué)學(xué)報，2008，42（7）：1242～1246.