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      海上漂浮式綜合發(fā)電平臺設(shè)計

      2016-05-06 02:26:09姚震球史騰飛周偉楠
      江蘇船舶 2016年1期
      關(guān)鍵詞:風能

      姚震球,姚 瀟,史騰飛,周偉楠

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

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      海上漂浮式綜合發(fā)電平臺設(shè)計

      姚震球,姚瀟,史騰飛,周偉楠

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

      摘要:針對海島區(qū)域的孤立性、海上環(huán)境的復雜惡劣性以及波浪發(fā)電的不穩(wěn)定性,結(jié)合風能、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,該平臺可以綜合利用風電、太陽能、潮汐能、波浪能等能源,同時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;風能;波浪能

      0引言

      隨著大氣污染問題越來越嚴重,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,海上風力發(fā)電平臺采用的水平軸風力發(fā)電機只適合在固定風向的近海區(qū)域建造,這樣在相對遠的海區(qū)以及風向多變區(qū)域能效較低,并且在開發(fā)近海海洋清潔能源時只針對風力發(fā)電,忽視潮汐能、波浪能等能源。在能源短缺而環(huán)境問題日益嚴重的今天,如何綜合高效地利用綠色環(huán)保的海上風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、波浪能發(fā)電以及潮汐能進行發(fā)電,已成為關(guān)注的焦點。

      海上浮式水平軸風力發(fā)電平臺[1—2]主要有單浮筒、三浮筒、多浮筒等形式,其重心高,導致浮筒平臺巨大。單浮筒、三浮筒形式只能安裝1臺風機,功能單一,而目前的多浮筒形式,由于風機間距巨大(否則對風機發(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]。

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

      1平臺總體設(shè)計

      多功能組合式海洋發(fā)電平臺是集風力、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,可組合成多單元發(fā)電平臺集群。集聚群包括若干個均為多邊形的發(fā)電平臺本體,每個發(fā)電平臺本體包括浮筒平臺、垂直軸向風力發(fā)電機和太陽能發(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,各個垂直軸向風力發(fā)電機相互間干擾距離小,發(fā)電機組在平臺上重心較低,浮筒間距小,并能收集波浪能源,減緩波浪對浮筒的沖擊。該平臺的立體結(jié)構(gòu)示意圖以及側(cè)視圖分別如圖1、圖2所示。該平臺的功能結(jié)構(gòu)圖3所示。

      2平臺功能系統(tǒng)設(shè)計

      2.1風力發(fā)電系統(tǒng)

      風力發(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),世界風力發(fā)電正以每年大于30%的速度發(fā)展,部分國家甚至達到60%以上。而我國沿海擁有非常豐富的風能資源[5],海上可開發(fā)和利用的風能儲量約7.5億 kW。風力發(fā)電是將風能轉(zhuǎn)化為機械能,機械能再轉(zhuǎn)化為電能的過程。本設(shè)計中,風力發(fā)電機均為垂直軸風力發(fā)電機,每個垂直軸向風力發(fā)電機均包括1根固定設(shè)置于控制室頂部的塔柱和繞塔柱設(shè)置的若干片風葉。每個垂直軸向風力發(fā)電機的發(fā)電機部件均位于控制室內(nèi),從而使整個垂直軸向風力發(fā)電機的重心下移,具有較高的抗強風能力。同時這樣布置可以充分利用各個方向的風能,提高發(fā)電效率。

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

      1.垂直軸向風力發(fā)電機 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,日照強烈,是利用太陽能的最佳場所。本設(shè)計中,所有的垂直軸風力發(fā)電機的風葉表面和塔筒表面均覆蓋有太陽能發(fā)電板,在風力發(fā)電的同時,風葉能夠大面積地吸收太陽能,實現(xiàn)太陽能發(fā)電。

      2.3潮汐能發(fā)電系統(tǒng)

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

      在設(shè)計中,在漂浮式綜合發(fā)電平臺的底部用可升降的活動連接桿連接潮汐能發(fā)電機組。在運輸和安裝過程中,潮汐能發(fā)電機組可收至主浮筒中。當海上漂浮式綜合發(fā)電平臺到達指定投放點時,潮汐能發(fā)電機組緩慢下降,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)電機組由葉片、發(fā)電機組主體和魚尾形尾板組成。潮汐能發(fā)電機組浸沒在水中,魚尾形尾板使之能夠跟隨海流自動旋轉(zhuǎn)至來流方向,充分利用海洋中各個方向的來流。整個發(fā)電機組利用海水漲落所產(chǎn)生的動能和勢能,帶動葉片旋轉(zhuǎn)由機械能轉(zhuǎn)化為電能。潮汐能發(fā)電機組的葉片不僅可以表現(xiàn)為如圖4所示的三葉式,也可在主機輪后加設(shè)多組小機輪,成一大多小的機輪組,盡可能多地利用海洋流。

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

      整個平臺是單個單元的發(fā)電平臺,也可以是多個單元組合成一個發(fā)電集群;漂浮式綜合發(fā)電平臺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。

      33.主浮筒 41.活動連接桿 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力生產(chǎn)電能。海洋波浪蘊藏著巨大的能量,全球有經(jīng)濟價值的波浪能開采量估計為1~10億kW,其中中國波浪能的理論儲量約為7 000萬kW[7—8]。

      本設(shè)計中,可集聚的多功能組合式海洋發(fā)電平臺,各個浮筒平臺通過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拉壓液壓泵的活塞環(huán)上下移動,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,從而反復完成液壓泵的吸油和壓油過程,將機械運動轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的壓力能。當活塞向內(nèi)壓縮時,液壓油通過單向閥(出)進入儲能器,然后帶動液壓馬達轉(zhuǎn)動,流經(jīng)變速箱帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)發(fā)電;液壓油從液壓馬達流出進入低壓油箱,當活塞向外拉伸時,低壓油箱內(nèi)液壓油經(jīng)過定向閥(進)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.儲能器

      2.5養(yǎng)殖系統(tǒng)

      本平臺具有漁網(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)的電動絞盤進行控制,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,可實現(xiàn)同一區(qū)域的工業(yè)和漁業(yè)雙用途,在空間上擴大了海洋的可利用區(qū)域。

      3結(jié)論

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

      (1)漂浮式綜合發(fā)電平臺以及各個平臺之間的連接部分均可拆卸組合,便于整個發(fā)電平臺的安裝、組合、維修,并具有一定的抗臺風性。

      (2)漂浮式綜合發(fā)電平臺各個平臺之間柔性連接,可以通過組合變成各種形狀的發(fā)電平臺,并且各個平臺間能夠相互組合,成為一個巨大的發(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)電平臺在實現(xiàn)工業(yè)發(fā)電的同時,兼顧漁業(yè)養(yǎng)殖,實現(xiàn)同一區(qū)域的工業(yè)和漁業(yè)雙用途,空間上擴大了海洋的可利用區(qū)域。

      參考文獻:

      [1]皮東,岳鵬程.海上漂浮式風力、洋流、太陽能綜合發(fā)電平臺:中國,202718815[P].2013-02-06.

      [2]朱玉國.海上組合式漂浮風力發(fā)電專用技術(shù):中國,102060088[P].2011-05-18.

      [3]孫楨,谷峰.海上半潛漂浮式風力發(fā)電平臺:中國,104058073[P].2014-09-24.

      [4]游亞戈,李偉,等.海洋能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].電力系統(tǒng)自動化 ,2010(7):1-12.

      [5]劉根東.全球海上風電發(fā)展狀況[J].風力發(fā)電,2003(4):34-37.

      [6]謝秋菊,廖小青,盧冰.國內(nèi)外潮汐能利用綜述[J].水利科技與經(jīng)濟,2009,15(8):670-671.

      [7]林剛,鄭崇偉,等.中國波浪能資源研究現(xiàn)狀及前景發(fā)展[J].海洋預報,2013(6):81-84.

      [8]王綠卿,馮衛(wèi)兵,等.中國大陸沿岸波浪能分布初步研究[J].海洋學報,2014(5):1-7.

      中圖分類號:U674.38

      文獻標志碼:A

      作者簡介:姚震球(1964—),男,教授,碩士生導師,研究方向為新船型研究、船舶設(shè)計;姚瀟(1989—),男,碩士研究生,研究方向為新船型研究、船舶設(shè)計;史騰飛(1991—),男,碩士研究生,研究方向為新能源船舶開發(fā)與設(shè)計。

      收稿日期:2015-11-20

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