遠(yuǎn)洋大型半潛式發(fā)電平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

劉軒　劉鄧華

摘要：為了減弱現(xiàn)有海流能發(fā)電裝置的海域局限性，提出了一種浮動(dòng)半潛式海流能發(fā)電裝置。該大型海上結(jié)構(gòu)物實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)波浪能發(fā)電、洋流能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電的有機(jī)結(jié)合。采用浮動(dòng)與錨栓的方式實(shí)現(xiàn)了裝置深海、遠(yuǎn)洋發(fā)電。采用半潛與潛水模式相結(jié)合的方式，適應(yīng)了遠(yuǎn)洋風(fēng)大浪高的海況，保證了裝置結(jié)構(gòu)完整性;結(jié)合海洋環(huán)境檢測(cè)模塊、平臺(tái)姿態(tài)和位置控制與檢測(cè)模塊、系泊系統(tǒng)控制與檢測(cè)模塊以及供電系統(tǒng)控制與檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)洋條件下運(yùn)行的穩(wěn)定性。綜合分析了該結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)洋流速條件下的流體性能與興波阻力，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該裝置主要對(duì)未來(lái)大型海上城市進(jìn)行能源供應(yīng)及環(huán)境探測(cè)。

關(guān)鍵詞：海流能;發(fā)電裝置;風(fēng)力發(fā)電;洋流能發(fā)電

中圖分類(lèi)號(hào)：TM61

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.006

1 項(xiàng)目背景及意義

對(duì)于人類(lèi)未來(lái)要探索的深海、遠(yuǎn)海地區(qū)，以波浪能與洋流能為首的高品質(zhì)海洋能，是開(kāi)發(fā)與研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)[1]。波浪能分布廣泛，而且有較大的波能流密度，可通過(guò)較小的裝置提供可觀(guān)的廉價(jià)能源。洋流能儲(chǔ)量大，所具有的能量轉(zhuǎn)化率高，也普遍引起相關(guān)從業(yè)人員的注意。

陣列浮子式波浪能發(fā)電裝置是目前發(fā)展較好的一種波浪能發(fā)電裝置，近些年電機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，陣列浮子采用直線(xiàn)發(fā)電機(jī)直接發(fā)電而得到大量應(yīng)用。陣列浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置由浮體、連桿、液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、蓄能器、發(fā)電機(jī)、保護(hù)裝置及控制裝置等多個(gè)部分組成。當(dāng)波浪上下起伏引起浮子的升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，浮子將吸收波浪能并轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)能與勢(shì)能;再經(jīng)過(guò)中間的液壓裝置進(jìn)行能量傳輸，最終轉(zhuǎn)化為液壓馬達(dá)的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，電流由海底電纜輸送到岸上，也可通過(guò)其他設(shè)備制造淡水或冰[2]。這種陣列浮子波浪能發(fā)電裝置不受潮位的影響，可漂浮在離岸較遠(yuǎn)的深水區(qū)域。

綜上所述，波浪能與洋流能是深海、遠(yuǎn)海中海洋能源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，也是本設(shè)計(jì)所研究利用的重點(diǎn)。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

本作品針對(duì)現(xiàn)有海洋能發(fā)電方式、地點(diǎn)和供電對(duì)象的局限性，并基于對(duì)現(xiàn)有海流發(fā)電技術(shù)和無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的研究，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了一種針對(duì)于遠(yuǎn)洋海域的半潛式海洋能綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

本平臺(tái)主要由上部垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、中部太陽(yáng)能電池板、振蕩浮子波能發(fā)電組以及水平軸洋流發(fā)電機(jī)組構(gòu)成。其中，在平臺(tái)正常運(yùn)行時(shí)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、中部太陽(yáng)能電池板以及振蕩浮子波能發(fā)電組始終位于海面以上，水平軸洋流發(fā)電始終位于海面以下捕獲洋流能。為了適應(yīng)遠(yuǎn)洋風(fēng)大浪高的惡劣海況，本平臺(tái)內(nèi)置大量壓載水艙，在外界環(huán)境傳感器對(duì)外界信息進(jìn)行采集與分析后，本裝置可打開(kāi)進(jìn)水閘，壓載水艙進(jìn)水，裝置整體下潛至海面以下，以保證裝置結(jié)構(gòu)的完整性。本平臺(tái)效果圖如圖1所示。

本作品針對(duì)海洋浮式平臺(tái)的特點(diǎn)，結(jié)合本作品的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。以下對(duì)分模塊進(jìn)行介紹。

2.1 波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)

2.1.1 陣列浮子波浪能發(fā)電系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的波浪能發(fā)電裝置安裝于海洋能發(fā)電平臺(tái)的支撐骨上，每個(gè)支撐骨由8套浮子、液壓系統(tǒng)組合而成，平臺(tái)兩側(cè)各分布4套浮子系統(tǒng)。浮子系統(tǒng)的主要部件包括浮子、浮子臂、液壓系統(tǒng)等，其中浮子臂連接擺動(dòng)液壓缸的轉(zhuǎn)軸，液壓缸固定在平臺(tái)支架上，浮子通過(guò)浮子臂與平臺(tái)連接。陣列式浮子系統(tǒng)主要包括直接吸收波浪能的陣列浮子、用于銜接浮子與液壓虹的浮子臂、具有自動(dòng)和機(jī)械兩種方式的防臺(tái)風(fēng)裝置等。單個(gè)浮子的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

浮子通過(guò)浮子臂安裝于支撐骨兩側(cè)，支撐骨兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布的浮子組成一個(gè)發(fā)電組，該發(fā)電組公用一套發(fā)電機(jī)、減速器以及換向裝置。同時(shí)，在浮子轉(zhuǎn)軸、換向裝置和減速器等處安裝了位移傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器等以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集。

2.1.2 新型水平軸洋流發(fā)電系統(tǒng)

本作品設(shè)計(jì)的洋流發(fā)電機(jī)主機(jī)不同于傳統(tǒng)主機(jī)，傳統(tǒng)主機(jī)與支撐機(jī)構(gòu)位置固定，洋流發(fā)電主機(jī)可以發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。位于海面以上的部分通過(guò)中心軸與下部水平軸洋流發(fā)電機(jī)組相連。結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用行星輪減速器設(shè)計(jì)，使得裝置下部可以實(shí)現(xiàn)隨洋流方向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 電力系統(tǒng)控制與輸出

本作品計(jì)劃單部海洋能開(kāi)發(fā)平臺(tái)發(fā)電50 MW海洋能電力，單部海洋能開(kāi)發(fā)平臺(tái)發(fā)電電力分配由以下三部分組成：①水平軸洋流發(fā)電系統(tǒng)，目標(biāo)發(fā)電20 MW;②陣列浮子波浪能發(fā)電系統(tǒng)，目標(biāo)發(fā)電30 MW;③太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，目標(biāo)發(fā)電0.5 MW;④垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，目標(biāo)發(fā)電3 MW。

每個(gè)發(fā)電系統(tǒng)都要經(jīng)過(guò)AC/DC整流變換，DC/DC直流隔離，輸出600 V直流電然后并網(wǎng)到直流母線(xiàn)上，再經(jīng)過(guò)輸配電與能量管理系統(tǒng)的調(diào)度通過(guò)海底電纜或平臺(tái)的無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)進(jìn)行電力供應(yīng)。整流電路如圖4所示。

電力變換裝置主要包括AC/DC整流電路、升壓電路、DC/DC隔離電路。綜合發(fā)電機(jī)組輸出3 400V直流電，通過(guò)系統(tǒng)直流母線(xiàn)并網(wǎng)，最后進(jìn)行逆變輸出。整個(gè)系統(tǒng)還包括應(yīng)急遠(yuǎn)程操控裝置及總能量管理系統(tǒng)。

水平軸洋流發(fā)電系統(tǒng)與陣列浮子波浪能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電原理在上文中已進(jìn)行介紹，太陽(yáng)能發(fā)電方式已是成熟技術(shù)在此不多贅述?？傮w結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 針對(duì)洋流發(fā)電裝置進(jìn)行的載荷強(qiáng)度分析

從圖6可以得出，在水流途經(jīng)合理縮放的水輪機(jī)葉輪過(guò)程中流速是發(fā)生變化的，當(dāng)靠近葉輪時(shí)流速逐步下降，經(jīng)過(guò)葉輪后，水流向葉輪外側(cè)擴(kuò)散，在葉輪背部形成一片低流速區(qū)域，也是低壓力區(qū)域。在對(duì)葉輪的受力分析時(shí)主要是對(duì)葉輪的葉片進(jìn)行強(qiáng)度受力分析，葉片的受力主要由沿流方向的流向載荷和提供轉(zhuǎn)矩的徑向力和切向力組成，三者是對(duì)葉片造成的主要載荷，即流向載荷、徑向載荷、切向載荷。其與轉(zhuǎn)速變化直接相關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，流向載荷和徑向載荷越大，而切向載荷還與葉輪徑向軸所受轉(zhuǎn)矩有關(guān)，轉(zhuǎn)矩最大時(shí)，切向載荷最大，在這三個(gè)載荷中，流向載荷是葉片承受的主要載荷。在葉輪X，Y，Z三個(gè)方向進(jìn)行單葉片載荷集中力分析，如表1所示。

分析可得三種載荷都隨著流速的增大而逐漸增大，而流向載荷增加的幅度最大，徑向載荷和切向載荷的增幅很小。表1計(jì)算出的數(shù)據(jù)，是在極限流速2.35 m/s、轉(zhuǎn)速最大工況下的載荷。

結(jié)果顯示：葉輪捕獲的功率P隨流速而增大，但當(dāng)流速大于2.4 m/s時(shí)功率并沒(méi)有趨于恒定。推力，隨著流速而增大，Cp隨葉尖速比λ而變化，在大約5.7時(shí)取得最大捕能效率;大于5.7后功率系數(shù)Cp開(kāi)始變小，同時(shí)在最佳捕能點(diǎn)周?chē)?，功率系?shù)隨葉尖速比λ的變化相對(duì)平緩。推力系數(shù)CT隨葉尖速比λ增大而增大，當(dāng)葉尖速比在最佳捕能點(diǎn)以后，推力系數(shù)增加趨于平緩。

3 應(yīng)用前景

遠(yuǎn)洋半潛式海洋能綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)相對(duì)于傳統(tǒng)形式的海洋能開(kāi)發(fā)裝置，穩(wěn)定性更高，并具有更好的耐波性，工作時(shí)它通過(guò)自身壓載水的調(diào)整及借助于垂直本體形式和水平本體的特殊設(shè)計(jì)可在發(fā)電過(guò)程中提供良好的穩(wěn)性，可以根據(jù)洋流、海浪的大小與方向不規(guī)則的特點(diǎn)，改變裝置的運(yùn)作形式，提升平臺(tái)整體作業(yè)效率。同時(shí)，其安裝相對(duì)簡(jiǎn)單方便，節(jié)省了運(yùn)輸與安裝成本，也使得它的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)比較明顯，且未來(lái)深海城市建設(shè)與遠(yuǎn)洋能源開(kāi)發(fā)是深海探索的主旋律，遠(yuǎn)洋半潛式海洋能綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)有很好的應(yīng)用前景。

通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與研發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)多元化發(fā)電系統(tǒng)、電力輸出系統(tǒng)、遠(yuǎn)洋浮動(dòng)支撐平臺(tái)、中央控制系統(tǒng)的論證與設(shè)計(jì)，掌握大型海洋能源開(kāi)發(fā)裝置的設(shè)計(jì)與建造的核心關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備。而擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)和建造可使中國(guó)深海海洋能源開(kāi)發(fā)的研發(fā)水平實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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