遠洋大型半潛式發(fā)電平臺設(shè)計與研究

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，提出了一種浮動半潛式海流能發(fā)電裝置。該大型海上結(jié)構(gòu)物實現(xiàn)了傳統(tǒng)波浪能發(fā)電、洋流能發(fā)電、風力發(fā)電與光伏發(fā)電的有機結(jié)合。采用浮動與錨栓的方式實現(xiàn)了裝置深海、遠洋發(fā)電。采用半潛與潛水模式相結(jié)合的方式，適應了遠洋風大浪高的海況，保證了裝置結(jié)構(gòu)完整性;結(jié)合海洋環(huán)境檢測模塊、平臺姿態(tài)和位置控制與檢測模塊、系泊系統(tǒng)控制與檢測模塊以及供電系統(tǒng)控制與檢測模塊，實現(xiàn)了遠洋條件下運行的穩(wěn)定性。綜合分析了該結(jié)構(gòu)在遠洋流速條件下的流體性能與興波阻力，并對系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該裝置主要對未來大型海上城市進行能源供應及環(huán)境探測。

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

中圖分類號：TM61

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.006

1 項目背景及意義

對于人類未來要探索的深海、遠海地區(qū)，以波浪能與洋流能為首的高品質(zhì)海洋能，是開發(fā)與研究的熱點與重點[1]。波浪能分布廣泛，而且有較大的波能流密度，可通過較小的裝置提供可觀的廉價能源。洋流能儲量大，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，近些年電機技術(shù)迅速發(fā)展，陣列浮子采用直線發(fā)電機直接發(fā)電而得到大量應用。陣列浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置由浮體、連桿、液壓傳動機構(gòu)、蓄能器、發(fā)電機、保護裝置及控制裝置等多個部分組成。當波浪上下起伏引起浮子的升沉運動時，浮子將吸收波浪能并轉(zhuǎn)化為自身的動能與勢能;再經(jīng)過中間的液壓裝置進行能量傳輸，最終轉(zhuǎn)化為液壓馬達的機械能，驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電，電流由海底電纜輸送到岸上，也可通過其他設(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，可漂浮在離岸較遠的深水區(qū)域。

綜上所述，波浪能與洋流能是深海、遠海中海洋能源開發(fā)的重點，也是本設(shè)計所研究利用的重點。

2 平臺設(shè)計

本作品針對現(xiàn)有海洋能發(fā)電方式、地點和供電對象的局限性，并基于對現(xiàn)有海流發(fā)電技術(shù)和無線充電技術(shù)的研究，系統(tǒng)地設(shè)計了一種針對于遠洋海域的半潛式海洋能綜合開發(fā)平臺。

本平臺主要由上部垂直軸風力發(fā)電機、中部太陽能電池板、振蕩浮子波能發(fā)電組以及水平軸洋流發(fā)電機組構(gòu)成。其中，在平臺正常運行時，垂直軸風力發(fā)電機、中部太陽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。為了適應遠洋風大浪高的惡劣海況，本平臺內(nèi)置大量壓載水艙，在外界環(huán)境傳感器對外界信息進行采集與分析后，本裝置可打開進水閘，壓載水艙進水，裝置整體下潛至海面以下，以保證裝置結(jié)構(gòu)的完整性。本平臺效果圖如圖1所示。

本作品針對海洋浮式平臺的特點，結(jié)合本作品的設(shè)計要求進行系統(tǒng)的設(shè)計與研究。以下對分模塊進行介紹。

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)計的波浪能發(fā)電裝置安裝于海洋能發(fā)電平臺的支撐骨上，每個支撐骨由8套浮子、液壓系統(tǒng)組合而成，平臺兩側(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液壓缸的轉(zhuǎn)軸，液壓缸固定在平臺支架上，浮子通過浮子臂與平臺連接。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、具有自動和機械兩種方式的防臺風裝置等。單個浮子的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

浮子通過浮子臂安裝于支撐骨兩側(cè)，支撐骨兩側(cè)對稱分布的浮子組成一個發(fā)電組，該發(fā)電組公用一套發(fā)電機、減速器以及換向裝置。同時，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、壓力傳感器等以實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集。

2.1.2 新型水平軸洋流發(fā)電系統(tǒng)

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

2.2 電力系統(tǒng)控制與輸出

本作品計劃單部海洋能開發(fā)平臺發(fā)電50 MW海洋能電力，單部海洋能開發(fā)平臺發(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)，目標發(fā)電20 MW;②陣列浮子波浪能發(fā)電系統(tǒng)，目標發(fā)電30 MW;③太陽能發(fā)電系統(tǒng)，目標發(fā)電0.5 MW;④垂直軸風力發(fā)電機，目標發(fā)電3 MW。

每個發(fā)電系統(tǒng)都要經(jīng)過AC/DC整流變換，DC/DC直流隔離，輸出600 V直流電然后并網(wǎng)到直流母線上，再經(jīng)過輸配電與能量管理系統(tǒng)的調(diào)度通過海底電纜或平臺的無線充電系統(tǒng)進行電力供應。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)電機組輸出3 400V直流電，通過系統(tǒng)直流母線并網(wǎng)，最后進行逆變輸出。整個系統(tǒng)還包括應急遠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行介紹，太陽能發(fā)電方式已是成熟技術(shù)在此不多贅述。總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 針對洋流發(fā)電裝置進行的載荷強度分析

從圖6可以得出，在水流途經(jīng)合理縮放的水輪機葉輪過程中流速是發(fā)生變化的，當靠近葉輪時流速逐步下降，經(jīng)過葉輪后，水流向葉輪外側(cè)擴散，在葉輪背部形成一片低流速區(qū)域，也是低壓力區(qū)域。在對葉輪的受力分析時主要是對葉輪的葉片進行強度受力分析，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，切向載荷最大，在這三個載荷中，流向載荷是葉片承受的主要載荷。在葉輪X，Y，Z三個方向進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，但當流速大于2.4 m/s時功率并沒有趨于恒定。推力，隨著流速而增大，Cp隨葉尖速比λ而變化，在大約5.7時取得最大捕能效率;大于5.7后功率系數(shù)Cp開始變小，同時在最佳捕能點周圍，功率系數(shù)隨葉尖速比λ的變化相對平緩。推力系數(shù)CT隨葉尖速比λ增大而增大，當葉尖速比在最佳捕能點以后，推力系數(shù)增加趨于平緩。

3 應用前景

遠洋半潛式海洋能綜合開發(fā)平臺相對于傳統(tǒng)形式的海洋能開發(fā)裝置，穩(wěn)定性更高，并具有更好的耐波性，工作時它通過自身壓載水的調(diào)整及借助于垂直本體形式和水平本體的特殊設(shè)計可在發(fā)電過程中提供良好的穩(wěn)性，可以根據(jù)洋流、海浪的大小與方向不規(guī)則的特點，改變裝置的運作形式，提升平臺整體作業(yè)效率。同時，其安裝相對簡單方便，節(jié)省了運輸與安裝成本，也使得它的競爭優(yōu)勢比較明顯，且未來深海城市建設(shè)與遠洋能源開發(fā)是深海探索的主旋律，遠洋半潛式海洋能綜合開發(fā)平臺有很好的應用前景。

通過項目設(shè)計與研發(fā)，成功實現(xiàn)多元化發(fā)電系統(tǒng)、電力輸出系統(tǒng)、遠洋浮動支撐平臺、中央控制系統(tǒng)的論證與設(shè)計，掌握大型海洋能源開發(fā)裝置的設(shè)計與建造的核心關(guān)鍵技術(shù)，增強國內(nèi)相關(guān)技術(shù)儲備。而擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計和建造可使中國深海海洋能源開發(fā)的研發(fā)水平實現(xiàn)跨越式的發(fā)展，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。

參考文獻：

[1] KESTER G，CLYMS W.Quantifying the global wavepower resource[J].Renewable Energy， 2016（ 44）：296-304.

[2] Antonio F O Falcao.Wave energy utilization：A review ofthe technologies[J].Renewable and Sustainable EnergyReviews， 2010（ 14）：899-918.