海上漂浮式综合发电平台设计

2016-05-06姚震球史腾飞周伟楠

江苏船舶 2016年1期

关键词：风能

姚震球，姚　潇，史腾飞，周伟楠

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

海上漂浮式综合发电平台设计

姚震球，姚潇，史腾飞，周伟楠

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

摘要：针对海岛区域的孤立性、海上环境的复杂恶劣性以及波浪发电的不稳定性，结合风能、太阳能、潮汐能及波浪能发电的特征，提出一种新型的海上漂浮式综合发电平台，该平台可以综合利用风电、太阳能、潮汐能、波浪能等能源，同时还可以为海岛提供大型养殖网箱。

关键词：海上漂浮式综合发电平台；风能；波浪能

0引言

随着大气污染问题越来越严重，环境问题变得尤为重要，为此，人们将目光投向再生能源，如大海上的风力发电、太阳能发电、波浪能发电以及潮汐能发电，这些储量大、可再生、有规律、无污染的能源将成为最具商业潜力与活力的绿色能源。目前，海上风力发电平台采用的水平轴风力发电机只适合在固定风向的近海区域建造，这样在相对远的海区以及风向多变区域能效较低，并且在开发近海海洋清洁能源时只针对风力发电，忽视潮汐能、波浪能等能源。在能源短缺而环境问题日益严重的今天，如何综合高效地利用绿色环保的海上风力发电、太阳能发电、波浪能发电以及潮汐能进行发电，已成为关注的焦点。

海上浮式水平轴风力发电平台[1—2]主要有单浮筒、三浮筒、多浮筒等形式，其重心高，导致浮筒平台巨大。单浮筒、三浮筒形式只能安装1台风机，功能单一，而目前的多浮筒形式，由于风机间距巨大(否则对风机发电影响较大)，浮筒间联结钢架巨大等原因，均不合适在海岛区域[3]。

本平台可以综合利用风电、太阳能、潮汐能、波浪能等能源，同时可为海岛提供大型养殖网箱。其设计不仅实现了多功能发电的工业需求，同时也发展了海洋渔业养殖。

1平台总体设计

多功能组合式海洋发电平台是集风力、太阳能、潮汐、波浪等多种发电和渔业养殖为一体的综合型平台，可组合成多单元发电平台集群。集聚群包括若干个均为多边形的发电平台本体，每个发电平台本体包括浮筒平台、垂直轴向风力发电机和太阳能发电单元、潮汐能发电单元、波浪发电单元和海洋养殖区。采用上述结构后，能集风力、太阳能、潮汐、波浪等多种发电和渔业养殖为一体。不仅如此，还能解决浮筒间刚性联结方式因跨距大带来的结构问题，各个垂直轴向风力发电机相互间干扰距离小，发电机组在平台上重心较低，浮筒间距小，并能收集波浪能源，减缓波浪对浮筒的冲击。该平台的立体结构示意图以及侧视图分别如图1、图2所示。该平台的功能结构图3所示。

2平台功能系统设计

2.1风力发电系统

风力发电是世界上发展最快也是比较成熟的绿色能源技术，世界风力发电正以每年大于30%的速度发展，部分国家甚至达到60%以上。而我国沿海拥有非常丰富的风能资源[5]，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿 kW。风力发电是将风能转化为机械能，机械能再转化为电能的过程。本设计中，风力发电机均为垂直轴风力发电机，每个垂直轴向风力发电机均包括1根固定设置于控制室顶部的塔柱和绕塔柱设置的若干片风叶。每个垂直轴向风力发电机的发电机部件均位于控制室内，从而使整个垂直轴向风力发电机的重心下移，具有较高的抗强风能力。同时这样布置可以充分利用各个方向的风能，提高发电效率。

1.垂直轴向风力发电机　2.波浪发电浮筒　3.浮筒平台

1.垂直轴向风力发电机　2.波浪发电浮筒　4.潮汐能发电单元

图3　海上漂浮式综合发电平台系统结构图

2.2太阳能发电系统

海上空气清新，洁净度高，日照强烈，是利用太阳能的最佳场所。本设计中，所有的垂直轴风力发电机的风叶表面和塔筒表面均覆盖有太阳能发电板，在风力发电的同时，风叶能够大面积地吸收太阳能，实现太阳能发电。

2.3潮汐能发电系统

潮汐能是以势能与动能形态出现的海洋能，它包括潮汐和潮流2种运动方式所包含的能量。潮水在涨落中蕴含着巨大的能量，这种能量用之不竭并且无污染[6]。

在设计中，在漂浮式综合发电平台的底部用可升降的活动连接杆连接潮汐能发电机组。在运输和安装过程中，潮汐能发电机组可收至主浮筒中。当海上漂浮式综合发电平台到达指定投放点时，潮汐能发电机组缓慢下降，离开主浮筒舱室，根据海况和海水深度调整升降距离，进行调试。

潮汐发电系统立体图如图4所示。潮汐能发电机组由叶片、发电机组主体和鱼尾形尾板组成。潮汐能发电机组浸没在水中，鱼尾形尾板使之能够跟随海流自动旋转至来流方向，充分利用海洋中各个方向的来流。整个发电机组利用海水涨落所产生的动能和势能，带动叶片旋转由机械能转化为电能。潮汐能发电机组的叶片不仅可以表现为如图4所示的三叶式，也可在主机轮后加设多组小机轮，成一大多小的机轮组，尽可能多地利用海洋流。

当叶片旋转时，搅动水流可以增大水中的含氧量，有利于平台中间养殖区域鱼苗的生长。

整个平台是单个单元的发电平台，也可以是多个单元组合成一个发电集群；漂浮式综合发电平台可组合成沿岛屿呈线状分布，也可沿海岸线分布，或者呈蜂窝状排列组合，形成利用海洋流发电的集群，并且克服现有潮汐能发电器械固定的缺点。

33.主浮筒　41.活动连接杆　42.叶片；

2.4波浪能发电系统

波浪能发电是以波浪的能量为动力生产电能。海洋波浪蕴藏着巨大的能量，全球有经济价值的波浪能开采量估计为1～10亿kW，其中中国波浪能的理论储量约为7 000万kW[7—8]。

本设计中，可集聚的多功能组合式海洋发电平台，各个浮筒平台通过V形支撑架与多节波浪发电浮筒相连接，波浪发电浮筒之间通过万向节相连，用连接法兰连接；波浪发电浮筒跟随波浪上下前后移动拉压液压泵的活塞环上下移动，使波浪发电浮筒内的液压泵腔内的容积频繁的增大和缩小，从而反复完成液压泵的吸油和压油过程，将机械运动转变为液体的压力能。当活塞向内压缩时，液压油通过单向阀(出)进入储能器，然后带动液压马达转动，流经变速箱带动发电机转动，实现发电；液压油从液压马达流出进入低压油箱，当活塞向外拉伸时，低压油箱内液压油经过定向阀(进)流回活塞式液压腔。波浪发电浮筒剖视图如图5所示。

2.波浪发电浮筒　6.支撑架　21.液压泵　 22.储能器

2.5养殖系统

本平台具有渔网，可在海洋养殖区中使用，其结构主要由钩挂于各节波浪发电浮筒上的渔网围合而成，渔网为多节的，能实现深海鱼种和浅海鱼种的多层次养殖。渔网沿多边形的周向均匀设置若干根能够上浮和沉降的牵引绳，牵引绳的上浮和沉降优选由设置在控制室内的电动绞盘进行控制，从而便于养殖和收获。渔网的中部设置有零浮力圆环，零浮力圆环的重力与浮力相等；渔网的底部设置有底部支撑框架。在海洋养殖区大规模设置该平台，可实现同一区域的工业和渔业双用途，在空间上扩大了海洋的可利用区域。

3结论

漂浮式综合发电平台充分利用了自然界中的绿色能源，如大海中的风力发能、太阳能、波浪能以及潮汐能，这些储量大、可再生、有规律、无污染的能源集合在同一平台上，实现同一平台的多功能发电，充分挖掘了海上风力发电平台的潜力。此外，还具有以下优势：

(1)漂浮式综合发电平台以及各个平台之间的连接部分均可拆卸组合，便于整个发电平台的安装、组合、维修，并具有一定的抗台风性。

(2)漂浮式综合发电平台各个平台之间柔性连接，可以通过组合变成各种形状的发电平台，并且各个平台间能够相互组合，成为一个巨大的发电集群，能够适用于不同的海洋环境，应用范围广泛。

(3)漂浮式综合发电平台在实现工业发电的同时，兼顾渔业养殖，实现同一区域的工业和渔业双用途，空间上扩大了海洋的可利用区域。

参考文献：

[1]皮东，岳鹏程.海上漂浮式风力、洋流、太阳能综合发电平台：中国，202718815[P].2013-02-06.

[2]朱玉国.海上组合式漂浮风力发电专用技术：中国，102060088[P].2011-05-18.

[3]孙桢，谷峰.海上半潜漂浮式风力发电平台：中国，104058073[P].2014-09-24.

[4]游亚戈，李伟，等.海洋能发电技术的发展现状与前景[J].电力系统自动化 ,2010(7)：1-12.

[5]刘根东.全球海上风电发展状况[J].风力发电,2003(4):34-37.

[6]谢秋菊，廖小青，卢冰.国内外潮汐能利用综述[J].水利科技与经济，2009,15(8):670-671.