一種海上風機的浮動式光伏水產養(yǎng)殖網(wǎng)箱

王亞飛 孫剛 王鈞樟 張鑫 朱濤

摘? 要：本作品通過設計一種全新的海上節(jié)能環(huán)保型網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝置，通過將早先就存在的兩種海工裝置有機結合（海上網(wǎng)箱養(yǎng)殖以及大型海工發(fā)電平臺）;達到節(jié)能和環(huán)保的功效，相比于一般的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，我方的優(yōu)勢在于：能量的自給、遠洋化、以及可再生燃料代替化石燃料等。

關鍵詞：網(wǎng)箱養(yǎng)殖;太陽能電池方針;遠海養(yǎng)殖;自動調控;魚光互補

中圖分類號：S969? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0094-03

Abstract： This paper designs a new type of marine energy-saving and environmental protection cage culture device， and organically combines the two kinds of marine engineering devices that existed earlier （offshore cage culture and large-scale offshore power generation platform）， in order to achieve the effect of energy conservation and environmental protection. Compared with the general cage culture， the advantages our product lie in energy self-sufficiency， oceanization， and renewable fuel replacing fossil fuels， etc.

Keywords： cage culture; solar cell policy; open sea culture; automatic control; fish light complementary

1 簡介

平臺風力發(fā)電系統(tǒng)主要通過將風能轉化為機械能，然后再將機械能轉化為電能儲存在裝置內部蓄電池中。太陽能供電系統(tǒng)主要有太陽能板和轉向裝置組成，安裝在裝置水面以上部位的追日太陽能方陣接受太陽光的照射產生直流電，直流電通過導電線輸入控制器進行調整，接著輸入逆變器轉換成交流電供應安裝在平臺的用電設備。

利用此裝置的自給特性實現(xiàn)以前未曾達到的遠洋特性，遠海養(yǎng)殖避免了近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的集群性弊端，進而能夠有效降低過度養(yǎng)殖造成的厭氧藻類以及水母等生物的增值，此外對于恢復近海水生環(huán)境有積極促進作用。

裝置使用清潔綠色能源，在降低碳排放的同時，智能化的控制也減少因投放飼料對養(yǎng)殖海域的大規(guī)模污染;穩(wěn)定的結構強度使得養(yǎng)殖網(wǎng)箱的使用壽命至少可以達到20年，能夠有效降低資金回籠問題的風險。本作品設計方案通過在發(fā)電裝置內設立風機塔架升降艙室，從而給風力發(fā)電機塔架提供有效的危機預防措施：伸縮式的塔架通過岸上的遠程控制，根據(jù)天氣預警的情報調控風機塔架的上下伸縮高度，通過合理的高度變化，進而改變風機迎風力矩，最大限度避免力矩過大而造成超過臨界應力的情況。光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置分別安裝在裝置的水面上下方，光伏電板、風機發(fā)電與網(wǎng)箱養(yǎng)殖形成了漁光互補模式，進而有效降低發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置的建設成本。

2 設計背景

面對人口增長趨勢越發(fā)嚴峻的現(xiàn)狀，特別是我國，單位人口的土地占有率幾乎可以算作為達到預警狀態(tài)。21世紀，不可避免的，如何可持續(xù)的索取海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟已經(jīng)成為我國擺在桌面上的事情。而其中作為海洋經(jīng)濟的重要組成部分的海洋漁業(yè)，由古到今，都為世界食品供應做出重要貢獻。但由于工業(yè)革命以來的機械化作業(yè)，過度捕撈與排放都使世界范圍內的漁業(yè)資源開始持續(xù)性的衰退。因此實現(xiàn)海洋漁業(yè)資源的可持續(xù)性問題已經(jīng)成為擺在臺面上的重大命題。

我國的海洋養(yǎng)殖技術普遍較低，大量養(yǎng)殖網(wǎng)箱集中在近海港灣內（渤海灣）;養(yǎng)殖密度遠遠超過環(huán)境承載量。網(wǎng)箱的高度集中必然會降低區(qū)域內的含氧量，因而，厭氧藻類和水母等厭氧生物便會大量繁殖，給區(qū)域環(huán)境造成不可逆的傷害;同樣這也增加了供氧裝置的經(jīng)濟成本。因此，我們可以得到一個結論：海產養(yǎng)殖必然會由近海集群化轉向遠洋網(wǎng)箱。

在2017年9月11日，由武船重工集團海工研究院進行工程設計和總包建造的世界首座、規(guī)模最大深海半潛式智能養(yǎng)殖場“海洋漁場1號”，于挪威當?shù)貢r間9月11日16時58分順利在挪威弗魯灣完成卸貨。挪威海上養(yǎng)魚平臺（海洋漁場1號）是世界首座、規(guī)模最大的半潛式深海“漁場”，是集挪威先進養(yǎng)殖技術、現(xiàn)代化環(huán)保養(yǎng)殖理念和世界頂端海工設計于一身、現(xiàn)代化全自動的深海養(yǎng)殖裝備?！吧钏{1號”箱體周長180米，高度30米，有效養(yǎng)殖水體5萬立方米，建成后可養(yǎng)殖鮭鱒魚類30萬尾，產量1500噸。該網(wǎng)箱為鋼結構，可根據(jù)養(yǎng)殖海區(qū)水層溫度的季節(jié)性變化進行升降調節(jié)，從而提高養(yǎng)殖水體利用效率并為養(yǎng)殖魚類提供最佳的環(huán)境條件。

本文通過對比分析以往的區(qū)域海產養(yǎng)殖和大型海工設備的弊端，結合現(xiàn)代化的養(yǎng)殖模式和海工設備，在維持網(wǎng)箱魚群的正常生長同時，盡可能降低有關養(yǎng)殖裝置的碳排放，減少海工設備對燃油等不可再生資源的需求，進而解決目前海洋漁業(yè)養(yǎng)殖存在的弊端。并且通過海工設備的機械化優(yōu)勢，做到魚群大規(guī)模養(yǎng)殖的同時，實現(xiàn)在綠色能源提供下的海水養(yǎng)殖無污染、零排放、純生態(tài)的養(yǎng)殖模式，建立起一系列海上資源循環(huán)利用的生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖模式。

除此之外，本文將現(xiàn)存的海洋綠色發(fā)電船業(yè)與大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝備結合起來，在基本保障網(wǎng)箱養(yǎng)殖的能源消耗的同時，也減少了化石燃料運輸造成的資金浪費。自給化也為遠洋養(yǎng)殖提供基礎。同時設備的遠程遙控以及本部分智能化也減少了人工成本開支，極大的避免了人員操作的風險。因此，裝備的建成不僅帶來了可觀的經(jīng)濟效益，同樣在安全性上也是無可比擬。

3 養(yǎng)殖網(wǎng)箱設計方案

本裝置是一種結合海上風機的浮動式光伏發(fā)電水產養(yǎng)殖復合裝置。所述風力發(fā)電裝置包括風機主體和支撐結構，所述其余裝置還包括升降塔架、光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置，升降塔架結構滑動連接支撐結構，光伏發(fā)電裝置設置于平臺結構上方，養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置設置于浮筒結構下方。本作品的設計方案通過在風力發(fā)電機的支撐結構上設置滑動伸縮塔架，可以提高結構強度;光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置分別安裝在浮筒的上下側，光伏電板裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置形成漁光互補，可以有效降低光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置建設成本。浮筒和支撐結構的滑動連接方式，可以使浮筒可隨著海水水位變化上下自由移動，可以在海面升降和海浪沖擊時一定程度上防止光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置受損。光伏所發(fā)電能一部分用于為養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動投食裝置供電，另一部分與風力發(fā)電機產生的電能共同并入平臺蓄電池中。

3.1 發(fā)電裝置一體化平臺設計

發(fā)電裝置平臺內部由可滑動升降式塔架、三浮體式平臺、內部艙室如：軸系轉換艙、變電設備艙、蓄電池艙、壓載艙等組成。且中央控制室作為接受指令、傳達指令的中樞成為整個養(yǎng)殖裝置的“核心”。

發(fā)電平臺設計根據(jù)三浮體式平臺具有在相同設施下排水量小、結構強度大、穩(wěn)定性較好的特點，在三處浮筒內部設有風機專用的塔架升降艙室，從而給風機塔架提供足夠的抗彎強度儲備。在海上遇到惡劣氣象時，岸基會通過衛(wèi)星將塔架伸縮信號傳輸給設備主控室，主控室控制升降平臺降低高度，通過降低迎風力矩的力臂來降低力矩;此外風機葉片還配有類似飛機架的死角卡死裝置，將葉片固定，保障在惡劣氣象條件下，整個網(wǎng)箱裝置的穩(wěn)定性。

平臺風機電源系統(tǒng)則采用的風光互補方式，主要由風力發(fā)電機、蓄電池、 系統(tǒng)控制器組成，同時鑒于海洋臺站維護難的問題，該系統(tǒng)研發(fā)的監(jiān)控模塊，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)運行情況，實時反饋蓄電池、負載電壓及有關參數(shù)，工作人員在遠程可以做到反向操作。

3.2 平臺上層建筑的節(jié)能設計

光伏發(fā)電裝置包括光伏支架、光伏發(fā)電板和升降立柱，所述光伏支架通過若干升降立柱設置于平臺結構上，所述光伏發(fā)電板安裝于光伏支架。光伏發(fā)電板接收太陽能進行發(fā)電，光伏支架用于安裝光伏發(fā)電板，增強結構強度。升降立柱使得光伏發(fā)電板和浮筒之間的垂直距離可根據(jù)情況調節(jié)，在需要打撈養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置中養(yǎng)殖產品時可調整立柱的高度以方便作業(yè)，在其余時間光伏電板高度略高于海洋波浪高度，以避免波浪直接拍擊光伏板，防止光伏板受荷破壞。

三浮體平臺上層主要有信號收發(fā)裝置、各種電子儀器?；仄脚_上建有的信號收發(fā)裝置，可實現(xiàn)網(wǎng)箱裝置與岸基的信息互通有無，實時信息交互也提高了裝置的可靠性，最終實現(xiàn)遠海養(yǎng)殖智能化、無人化。

在太陽光普照廣闊的海洋，安裝在海上平臺上的追日轉向的太陽能電池方陣接受陽光的照射產生直流電，直流電通過導電線輸入控制器進行調整，接著輸入逆變器轉換成交流電供應安裝在養(yǎng)殖網(wǎng)箱上的蓄電池，滿足海上裝置夜間作業(yè)照明和全天生產作業(yè)用電的需要;直流電經(jīng)過控制器的調整后，也可以輸入內部備用鋰離子電池貯存?zhèn)溆?。隨著技術的進步，依附養(yǎng)殖網(wǎng)箱的太陽能電池方陣面積可以擴大、光電轉換效率亦可不斷提高，便能夠提供更多的電力以供設備的多樣化操作。

太陽能電源系統(tǒng)主要由太陽能電池板組成，并且太陽能轉換成電能只有夜間無法工作的局限性。單晶硅太陽能板適用于近海的“非理想”氣候（多雨、多霧霾），可以高效率轉換能量，光電轉換效率最高達24%，可以最大限度將光能轉換成電能;采用光滑玻璃及防水樹脂進行封裝，堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。

所述裝置還包括電力系統(tǒng)，所述電力系統(tǒng)包括防水電池、光伏電纜、風機電纜、防護管和海底總纜。防水電池安裝于伸縮塔架結構，防水電池連接光伏發(fā)電裝置，由光伏發(fā)電裝置供電;風機電纜連接風機主體，光伏電纜連接光伏發(fā)電裝置，防護管沿單柱側面設置，風機電纜和光伏電纜則穿過防護管連接平臺總纜。

3.3 水下多功能綠色網(wǎng)箱設計

養(yǎng)殖網(wǎng)箱采用蜂窩形上下圍網(wǎng)式構造，艙壁上的各種水文監(jiān)測器將水文信息與岸基實時交互，提高了漁業(yè)養(yǎng)殖的可靠性。

網(wǎng)箱的蜂窩形結構，通過桁架與三浮體平臺連接，組成一個封閉的整體，網(wǎng)蜂窩形結構是覆蓋二維平面的最佳拓撲結構，具有優(yōu)秀的幾何力學特性，強度和剛度比同排水量的其他結構優(yōu)秀許多，費料少，性能優(yōu)異。

根據(jù)全球洋流的累計資料，實時的將養(yǎng)殖網(wǎng)箱運輸?shù)竭m宜位置海域，并通過水文監(jiān)測器做出判斷、岸基做出預估，保證水文信息適宜魚群生存。

智能燈光調節(jié)系統(tǒng)，據(jù)最新研究表明，由燈光所影響的褪黑激素會造成魚類和人類的等脊椎動物的晝夜節(jié)律發(fā)生變化。（褪黑激素的降低可能導致免疫防御、生長和繁殖功能出現(xiàn)問題）養(yǎng)殖網(wǎng)箱內部安裝智能燈光系統(tǒng)，解決因上層建筑遮擋而造成的光源不足問題，保證魚群生長環(huán)境，進而保證養(yǎng)殖品質。

因此，本作品設計具有如下有益效果：

（1）光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置可隨海面自由上

下，抵御一定程度的海浪，保證結構安全穩(wěn)定。

（2）光伏發(fā)電板相對平臺高度可調節(jié)，避免波浪直接拍擊光伏板，同時方便養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置內海產品打撈作業(yè)。

（3）水文信息的實時交互、智能燈光調節(jié)系統(tǒng)，極大的提高了對于魚群生長環(huán)境的可靠性，進而保證養(yǎng)殖的品質、經(jīng)濟的收益。

4 現(xiàn)有理論技術與數(shù)據(jù)分析

隨著我國國民生活水平的逐步升高，人民群眾對于食品的要求也從溫飽到可口，再到營養(yǎng)層面。水產一直是我國餐桌上不可分割的一部分，其中的高檔海產更是好面子的中國人追求的首選之列。國人對高檔水產蛋白在飲食中的比重逐步提升，人均消費量近年來也是逐步提升，高居不下。

近年來，國家不斷強調環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重要性，金山銀山不如青山綠水，相關環(huán)保政策的不斷出臺，加上海生養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖理念和養(yǎng)殖方式正處在一個歷史的轉折點，加上2020年又是中央扶貧政策攻關的一年，在大環(huán)境的影響下，傳統(tǒng)捕撈業(yè)的衰退已經(jīng)成為必然;而近海養(yǎng)殖業(yè)由于環(huán)保政策的不斷推出，衰退也是一葉知秋，因此，遠洋養(yǎng)殖產業(yè)的盛行于世指日可待。

5 養(yǎng)殖規(guī)范化

5.1 水文信息的檢測

通過國家日益完善的水文監(jiān)測系統(tǒng)，以及日益完備的洋流信息儲備，能夠保證魚群擁有可靠的生長環(huán)境。

5.2 魚群養(yǎng)殖實時監(jiān)測

利用多種水質檢測儀、高分辨的水下分辨系統(tǒng)檢測內部生長情況，并匯報于岸基，岸基殼實時對內部環(huán)境進行護理。

5.3 規(guī)章制度的建立

形成一套合理的規(guī)范是所有分析、處理的最終目標。

洋流分析、預估;水文、水質監(jiān)測;魚群生長檢測等，這一系列信息岸基應形成一套有序的分析機制，最佳情況是：根據(jù)這些信息的特點制作一套分析軟件、規(guī)章制度。

6 結束語

遠洋網(wǎng)箱養(yǎng)殖遵守魚群生長的自然規(guī)律，水產品質量得到保證。作為一種新型的海洋養(yǎng)殖方式，其未來市場前景廣大，它將原有的近海養(yǎng)殖的各種弊端予以消除，并向高度智能化、遠程化發(fā)展。遠海養(yǎng)殖正遇到歷史發(fā)展的好時機，2020年，國家扶貧攻堅政策的逐步實施，環(huán)保政策的逐步開展，必然會導致競爭產業(yè)的衰退。在大型遠洋養(yǎng)殖過程中，我國船舶于海洋專業(yè)必然面臨一系列的重大挑戰(zhàn)，但同時也會給本行業(yè)帶來新的機遇。

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