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)

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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：

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[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.

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[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