新型海洋能綜合利用發(fā)電平臺(tái)設(shè)計(jì)

柳博瀚 付宗國等

摘 要：為了充分利用海洋可再生能源，文章設(shè)計(jì)出全新海洋能發(fā)電裝置，能同時(shí)將海上風(fēng)能，海面波浪能，水下海流能發(fā)電設(shè)施集中在一臺(tái)機(jī)組上，每個(gè)模塊全采用驅(qū)動(dòng)液壓，將分散的能量以液壓能的形式集聚推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多種能量耦合互補(bǔ)，聚集能量，提高發(fā)電效率，保證裝置發(fā)電穩(wěn)定。整個(gè)裝置采用模塊化組合設(shè)計(jì)，可以降低單位造價(jià)和海上運(yùn)輸施工成本，解決了海洋能發(fā)電效率低而且不穩(wěn)定的問題，是一種高性價(jià)比的海洋能開發(fā)方式，可作為海洋平臺(tái)的輔助設(shè)備或?yàn)殡x島供電，具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

關(guān)鍵詞：海洋能發(fā)電裝置；液壓驅(qū)動(dòng)；風(fēng)能；潮流能；波浪能

前言

隨著人類不斷加大化石燃料開采力度，傳統(tǒng)能源逐漸枯竭。能源短缺已經(jīng)成為當(dāng)今世界不得不面對的共同問題，因此各國都投入大量人力、物力進(jìn)行可再生能源的開發(fā)研究[1]。

海洋能的研發(fā)成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)，首先海洋能在海洋總水體中的蘊(yùn)藏量巨大，而單位體積、單位面積、單位長度所擁有的能量較小。這就是說，要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。其次海洋能具有可再生性。海洋能來源于太陽輻射能與天體間的萬有引力，只要太陽、月球等天體與地球共存，這種能源就會(huì)再生，就會(huì)取之不盡，用之不竭[2]。然而海洋能利用有著諸多問題，比如發(fā)電效率低，周期不穩(wěn)定等，文章利用風(fēng)能，海流能，波浪能聯(lián)合發(fā)電，提高了發(fā)電效率，利用驅(qū)動(dòng)液壓，可以使裝置發(fā)電穩(wěn)定。

1 總體設(shè)計(jì)

海洋風(fēng)能-波浪能-潮流能綜合液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高海洋能源的利用效率，降低海洋能源發(fā)電的成本[3]。模式化組合設(shè)計(jì)可以提高裝置的使用壽命，降低裝置的成本，并使裝置可以得到更快的普及。

如圖1所示，本裝置主要包括：風(fēng)力轉(zhuǎn)換模塊、集總液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電模塊、波浪轉(zhuǎn)換模塊、海流能轉(zhuǎn)換模塊、連接立柱、支撐橫梁、固定樁座等組成。

風(fēng)力轉(zhuǎn)換模塊是風(fēng)力吹動(dòng)豎軸風(fēng)機(jī)帶動(dòng)產(chǎn)生高壓液壓流動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為液壓能；波浪轉(zhuǎn)換模塊是起伏的波浪帶動(dòng)振蕩浮子運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)高壓液壓流動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)化為液壓能；海流能轉(zhuǎn)換模塊是海流沖擊導(dǎo)流罩渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)液壓轉(zhuǎn)動(dòng)，將海流能轉(zhuǎn)化為液壓能[4]。上述三種轉(zhuǎn)化液壓能通輸送到集總液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電模塊中，將所有液壓能量匯總，統(tǒng)一將海洋能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能，消除了單個(gè)能量不穩(wěn)定的情況，形成多種能量互補(bǔ)。連接立柱、支撐橫梁和固定樁座將各模塊緊固在一起，以抵擋風(fēng)浪的沖擊。

2 發(fā)電模塊裝置

2.1 液壓系統(tǒng)

集總液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電模塊由進(jìn)出油管、進(jìn)出油管、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、油箱、蓄能囊、內(nèi)部油管、防護(hù)箱、信號(hào)收發(fā)器、主控制器等組成，如圖2所示。

防護(hù)箱對精密的主控制器實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)，屏蔽惡劣環(huán)境。主控制器采用電液比例技術(shù)調(diào)節(jié)流量，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出。信號(hào)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)主控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通信，實(shí)時(shí)傳授監(jiān)測以控制信號(hào)。

從波浪轉(zhuǎn)換模塊、海流能轉(zhuǎn)換模塊傳來的高壓液壓油通過進(jìn)出油管進(jìn)入通過由進(jìn)出油管與第一個(gè)凈化器連接處的一根油管進(jìn)入凈化器。接著通過凈化器除去雜質(zhì)和水分然后進(jìn)入油箱，再通過內(nèi)部油管流入蓄能囊內(nèi)，蓄能囊能消除干擾與流體波動(dòng)，能量蓄積后以穩(wěn)定的流量推動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，液壓油壓力消耗后流回油箱，油箱內(nèi)液壓油再通過凈化器和進(jìn)出油管連接的另一個(gè)油管送回到波浪轉(zhuǎn)換模塊和海流能轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。

2.2 風(fēng)能發(fā)電模塊

風(fēng)力轉(zhuǎn)換模塊是由葉柄、垂向葉片、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、液壓泵、進(jìn)出油管等組成。葉柄將四個(gè)垂向葉片與轉(zhuǎn)動(dòng)軸承連接在一起，風(fēng)吹動(dòng)垂向葉片帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓泵通過進(jìn)出油管將升壓的液壓油連入集總液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電模塊中，如圖3所示。

在本裝置中，要求裝置有一定的抗風(fēng)浪的能力。故而要盡可能地降低裝置的重心，所以采用重心低的豎軸風(fēng)力發(fā)電裝置。并且近海海況通常情況下風(fēng)力不大，因而不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)力過大導(dǎo)致裝置速度難以控制的情況，同時(shí)豎軸風(fēng)力發(fā)電裝置可以比橫軸風(fēng)力發(fā)電裝置更好的適應(yīng)近海地區(qū)風(fēng)力的不穩(wěn)定性（豎軸風(fēng)力發(fā)電裝置可以適合萬向風(fēng)）。且因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，可以大大的減少成本。

2.3 波浪能發(fā)電模塊

振蕩浮子式裝置結(jié)構(gòu)，如圖4所示，波浪轉(zhuǎn)換模塊由連接支管、振蕩浮子、油缸、活塞、進(jìn)出油管和導(dǎo)桿組成[5]。起伏的波浪帶動(dòng)振蕩浮子上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)活塞沿著導(dǎo)桿在油缸內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下交替抽油排油，液壓油經(jīng)過進(jìn)出油管與集總液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電模塊相連，最終振蕩浮子實(shí)現(xiàn)往復(fù)抽油與壓油，提供高壓液壓油，而連接支管將模塊組合在主體上，進(jìn)行液壓油往復(fù)循環(huán)。

為本裝置振蕩浮子的一個(gè)簡化形式，本裝置采用固定式振蕩浮子[6]。因?yàn)楸狙b置的設(shè)計(jì)使用水深較小，固定方式采用直接錨固與海底的固定方式，發(fā)電效率較高[7]。

本裝置采用液壓推動(dòng)式能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，平滑了液壓功率和壓力的波動(dòng)，提高了可靠性，發(fā)電功率和發(fā)電穩(wěn)定性。當(dāng)波浪較小時(shí)，蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)起儲(chǔ)能作用，將過小能流的液壓能儲(chǔ)存起來，再以最大功率釋放，實(shí)現(xiàn)間斷發(fā)電，以避免功率太小導(dǎo)致效率下降。該系統(tǒng)根據(jù)液壓平衡原理打開或關(guān)閉液壓馬達(dá)上游的閥門，在浪時(shí)能實(shí)現(xiàn)間斷發(fā)電。顯然上述控制系統(tǒng)實(shí)際上也適用于大浪的連續(xù)發(fā)電工作情況。在大浪時(shí)儲(chǔ)蓄穩(wěn)壓系統(tǒng)的的壓力在Pmax-Pmin之間，當(dāng)壓力提高時(shí)，液壓馬達(dá)的排量會(huì)自動(dòng)加大，反之變小，形成負(fù)反饋。再加上穩(wěn)壓系統(tǒng)的儲(chǔ)能作用，當(dāng)波浪大到一定程度時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入連續(xù)發(fā)電的工作狀況。

2.4 潮流能發(fā)電模塊

導(dǎo)流罩的原理與擴(kuò)散器相似，利用壁面型線對流場的干擾，使更多的流體可以流入罩內(nèi)，提高罩內(nèi)的流速。將輪機(jī)置于導(dǎo)流罩內(nèi)部，相當(dāng)于增大了來流速度，從而提高了輪機(jī)功率[8]。彈簧控角水輪機(jī)功率特性的實(shí)驗(yàn)曲線證明，帶擴(kuò)張門的導(dǎo)流罩可以將葉輪的能量利用率峰值提高47.8%，同時(shí)擴(kuò)大了葉輪高效運(yùn)轉(zhuǎn)的速比范圍[9]。

如圖5所示，潮流能轉(zhuǎn)換模塊是由導(dǎo)流罩、葉輪、輪軸、固定板、液壓泵、進(jìn)出油管等組成。

張口的導(dǎo)流罩將潮流聚集沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，通過輪軸帶動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，通過進(jìn)出油管將升壓的液壓油通入集總液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電模塊，進(jìn)行液壓油往復(fù)循環(huán)。

3 總結(jié)與展望

文章介紹一種新型海洋多能發(fā)電平臺(tái)， 文章從發(fā)電平臺(tái)的總體介紹， 各個(gè)模塊獲能裝置的設(shè)計(jì)，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及發(fā)電裝置等幾個(gè)方面研究。本研究設(shè)計(jì)的裝置可以在近海和近岸使用，面對的對象也不相同。在近岸范圍，可以并入陸地電網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電。如果在養(yǎng)殖場附近的話也可以給養(yǎng)殖場提供電源，在堤壩旁可以給堤壩的基礎(chǔ)設(shè)施比如路燈，燈塔之類的海上、海島設(shè)施發(fā)電。在近海范圍，本裝置可以給海洋平臺(tái)發(fā)電，比如對海洋鉆井平臺(tái)來說，對電的需求極大，本裝置可以作為海洋平臺(tái)的附屬裝置，能極大減少海洋平臺(tái)對外界電流的需求節(jié)約成本，減少能源消耗。本裝置可以根據(jù)實(shí)際海況和應(yīng)用需求而調(diào)整模塊組成，進(jìn)行快速組合。文章設(shè)計(jì)的海洋風(fēng)能-波浪能-潮流能綜合液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置效率更高，是能大規(guī)模推廣的創(chuàng)新理念。

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