漂浮式風力、洋流、太陽能綜合發電平臺

邱爰超, 郭楊陽, 王 斌

(武漢理工大學能源與動力工程學院 ， 湖北 武漢 430063)

我國近海風資源十分豐富，初步估算為 7.5 億kW[1]，為陸地風力資源的3倍，可開發的海流能約為30 GW[2]．目前，海上利用清潔能源發電系統廣泛采用柱狀式結構來固定，這在離陸地相對遠的海區內制造費用相對較高，且開發能源種類非常單一．而本設計可實現海上風力、洋流、太陽能的綜合發電，凸顯低碳能源開發的集成本色．

1 浮體平臺設計

綜合發電平臺呈正六邊形結構，在正六邊形的每個角及正六邊形的中心上各設有一個獨立的浮體．正六邊形的中央浮體與各個角浮體之間、相鄰的角浮體之間通過支撐浮體相連從而組成一個整體骨架平臺，整體骨架平臺上方設有甲板，甲板上鋪設有太陽能電池板．在各角浮體上還設有進排水腔室，以便于在安裝時調節整體骨架平臺的水平度(圖1)．

圖 1 漂浮式綜合發電平臺三維立體圖

另外，定位機構、儲能裝置、電力并網控制系統安裝于中心附體上．每個角浮體上有一個帶有錘擺的風力渦輪機、洋流渦輪機以及連接它們的雙轉子發電機，此外還有用于動力定位的推進器．

2 渦輪機設計

2.1 風力渦輪機

風力渦輪機采用垂直軸式風力機，風機葉片整體為“H”型，三葉片結構(圖2)．垂直軸式風力機在克服“對風損失”和“疲勞損耗”上有水平軸風力機不可比的優點[3]．此外，其構造緊湊，活動部件少于水平軸風力機，可靠性較高，并且它在低風速運轉時發電量也較大，在風輪旋轉時也不會因變形而改變效率．

圖 2 垂直軸式風力機效果示意圖

風力機主轉動軸兩側分別增加兩個成180°對稱布置的擺錘結構．當風力變小時，能通過擺錘的慣性阻止風機葉片的減速；當風力變大時，擺錘可吸收一部分風能，從而避免風機葉片的速度過快．這個結構能夠增加風能的利用率，使裝置能平穩地順應風力的變化，增加系統穩性，但是它的啟動風速將會增大．

2.2 洋流渦輪機設計

洋流渦輪機是流體能量的轉換裝置，它把流體的動能轉換成渦輪機的機械能，從而帶動發電機發電，把機械能再轉換成電能．海流能發電原理與風力發電、水力發電原理相似，是利用流動的介質來推動水輪機發電．這里同樣采用豎直式渦輪機，其葉片成流線型機翼狀，葉片整體采用“H”型，六葉片結構(圖3)．在水流流過葉片時利用其受到的升力，能夠很好地利用洋流能．

圖 3 洋流渦輪機效果示意圖

渦輪機采用特殊的復合材料制成，材料的抗拉能力是鋼材的10倍以上[4]，這種材料制成的渦輪機在風暴中遭受毀滅性破壞的可能性不大．豎直式渦輪機由于其自身的結構優勢,其抗毀能力遠比水平式渦輪機強大得多．

2.3 雙轉子發電機

采用雙轉子發電機(圖5)連接風力渦輪機和洋流渦輪機，風力渦輪機和洋流渦輪機分別連接雙轉子發電機的內轉子和外轉子．這兩個渦輪機的葉片安裝方向相反，在外力的作用下，這兩個渦輪機繞發電平臺中心軸做互相逆向旋轉，帶動發電機的內外轉子逆向旋轉發電．如圖6中內轉子16和外轉子17逆向旋轉的雙轉子發電機具有增能效應，將產生1+1>2的效果．也就是說利用逆向旋轉的雙轉子發電機所產生的電能大于分別利用風力發電和水力發電所產生的電能之和．

圖 4 雙轉子發電機

1-風力機葉片；2-連接法蘭；3-垂擺；4-內轉子軸；5-外轉子軸；6-內轉子；7-外轉子；8-渦輪連接軸；9-洋流渦輪機葉片圖 5 風力、洋流發電機的安裝示意圖

3 展望

漂浮式發電平臺不僅能解決固定式支撐基礎造價高、施工復雜的難題[5]，而且根據不同海域的具體情況，可以多個平臺組合成蜂窩狀進行陣列式組合成為一個大型的“能源島”，可大可小，結構空間利用率高并且穩定．隨著我國能源需求量的急劇攀升以及傳統化石能源即將消耗殆盡，清潔能源的開發利用迫在眉睫．此外，現在海上單一發電模式的相關技術日益成熟，這些條件將使海上綜合發電平臺具有很大的市場潛力．

[參考文獻]

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

[2] 司占博,鄭衛剛.風力水流發電機系統的研究[J].電力電子,2012(1):40-43.

[3] 楊國良,張廣路.垂直軸磁懸浮風電系統神經模糊PID懸浮控制[J].微電機,2010(8):41-46.

[4] 章利軍.碳纖維對橋梁構件抗彎加固的應用研究[D].杭州:浙江大學,2008.

[5] 趙 靜,張 亮.模型試驗技術在海上浮式風電開發中的應用[J].中國電力,2011,44(9):55-60.