綜合波浪能利用張力腿網箱平臺

任健峰 王長龍 孫梓峰 張俊生 大連海洋大學海洋與土木工程學院

能源和漁業資源利用一直是兩個繞不開的話題，特別是代表著先進生產力和孕育著重大技術突破的綠色能源和現代化網箱養殖作為重要的新技術載體，尋求著新的發展。海洋作為人類發展的拓展空間，海洋工程技術成為了一個重要的新技術載體和源泉。其中的海洋能工程、海洋漁業工程，更是海洋空間、能源、技術繁殖的綜合性平臺，成為一個重要的技術創新、空間利用和能源開發的增長點。

一方面，波浪能的客觀儲量顯然是極其豐富的，但在當前的實際投入中遇到的難題之一是開發成本過高，盡管其發展的好處有目共睹，但在巨大的投入和產出落差之間，經濟效益成為了不能回避的話題。當然，解決這一問題的關鍵還是技術突破，包括對波浪能轉化機理的深入研究，從而探求轉化效率的提高，但也應該探尋新的工程形式，實現構思上的突破，從工程結構綜合利用伴生能源生產的優化設計中，達到波浪能的優質利用，降低波浪能發電成本。另一方面，新時代的“耕海牧洋”把漁業網箱推向大型化、平臺化，能夠在其上進行生產、生活工作。從安全的角度，網箱平臺需要足夠的穩定性；從工作便利角度，網箱平臺需要電能自給。

因此，本文提出了綜合波浪能利用張力腿網箱平臺，使兩方面的有效結合，實現網箱功能化、平臺化和波浪能發電有效載體化。

1.海洋波浪能利用現狀

目前利用波浪能發電的方法大致可分為三大類：一是利用波浪能將水引入高位水池積蓄起來，形成一個水頭，然后沖擊水輪機發電，如越浪式波浪能發電裝置，具有代表性的發電裝置有西班牙的WaveCat和丹麥的WaveDragon波浪裝置等。二是利用海洋波浪能的上下運動所產生的空氣流，使汽輪機轉動，進而帶動發電機發電，例如振蕩水柱式波浪能發電裝置，代表性的裝置有日本的“巨鯨號”和英國的LIMPET 500等；三是利用海洋波浪能裝置運動（搖擺轉動、直線往復)的機械能轉化為電能，例如振蕩浮子式波浪能發電裝置，具有代表性的裝置有澳大利亞的CETO裝置、美國的PowerBuoy裝置、荷蘭的阿基米德波浪擺、加拿大的AquaBuoy等。

目前，我國正處于信息化和工業化的經濟高速發展時期,對能源的需求急劇增加，尤其是在我國沿海地區土地廣闊、島嶼眾多，對海洋開發和國防建設占有重要地位，開發利用海洋資源具有重要意義，海洋能源也有助于滿足海防建設的基本要求。現階段波浪能發電在設計水平和工藝制造水平上比早期的都要好。然而，從我國波能源開發的現狀和科技研究成果來看,對于波浪能發電裝置的理論體系和波浪能發電的技術研究還沒有形成一個相對成熟和靈活的體系，相關測試和分析工作仍需繼續進行。

2.波浪能與網箱平臺的結合

深水網箱的波浪能量非常可觀，一旦網箱波浪能技術成功開發，將波浪對網箱的破壞力，轉化為深水水產養殖生產所需的電能，將產生一場養殖技術革命，有助于養殖企業的健康安全快速發展，也有利于加快我國新能源開發和海洋事業的發展，確保深海養殖業的安全生產和環境保護效益。利用波浪能與網箱平臺相結合實現網箱養殖一體化是未來的發展趨勢。

采取張力腿式網箱，可通過錨鏈的收縮實現網箱下潛與上升，加上波浪能發電技術可在網箱平臺上的得到應用，更能實現自動化、智能化控制。所以研制出利用張力腿結構升沉運動發電網箱平臺養殖，用海洋能發電系統為網箱系統提供動力來源，利用在養殖網箱周圍捕獲的波浪能作為發電系統，二者相互結合，一方面起到發電目的，另一方面減少了網箱內部的水流速度，起到了阻礙水流作用，更加有利于魚群的生長發育。

3.綜合波浪能利用張力腿網箱平臺

3.1 結構特點

中間有一根獨立中央管軸由張力纜索連接固定在海底，其余的網箱結構圍繞軸桿組合而成。網箱上部是圓錐形的鋼架結構，底部是鋼制圓形圈，通過16根拉索連接，固定在海底。中間部分由柔性網衣圍起養殖空間。中央軸桿從網箱的上部圓錐體和下部底圈中心垂直穿過，形成張力腿式平臺形式。

中央管軸穿過上部圓錐形鋼架與底部鋼圈兩部分，通過齒輪接觸。同時在上部圓錐鋼架頂部中心與下部鋼制底圈中心均有封閉的發電裝置。

3.2 發電方式

當該整體結構受波浪作用，中央軸桿底部因入水較深，受波浪產生的垂蕩較小，而網箱結構部分因主要的上部圓錐鋼架位于水面附近，會產生相對較大的垂蕩。因此兩者垂向運動幅值的差異會使網箱產生相對中央軸桿的位移。這樣，通過波浪就能使網箱平臺做升沉運動，從而帶動相應的發電裝置內的齒輪轉動，通過發電機發電。就會將波浪能轉化為機械能進而轉化為波浪能，產生電量，自給自足。

3.3 結構穩定性

網箱如果采用柔性網衣，其底部結構因與主體結構柔性連接，在水下受流體作用后，網衣會產生很大水平向位移，導致網箱變形巨大，影響養殖空間。但在本設計中，底部鋼圈與上部圓錐鋼架之間的水平相對運動被中央軸桿約束住，使該設計在采用柔性網衣時，仍能保持很好的整體性、穩定性。

其次，本文所提平臺是一種利用張力腿網箱平臺垂蕩運動直接發電的裝置。盡管，這種發電方式也是利用波浪帶動的機械運動轉化為電能，但該機械運動不是附屬構件的運動，而是直接利用平臺結構的運動，所以，從根本上說，在機械能轉化的過程中，是在耗散浮體平臺的運動能量，有利用平臺的穩定性。

最后，張力腿式結構的特點也決定了網箱平臺的橫向抗波浪能力較強，把運動主要限制在垂蕩上，又成就了以上的波浪能發電方式。這樣，設計出的網箱波浪能發電裝置，既能借用網箱結構實現波浪能發電，降低發電成本，完成平臺的電力自給，又能進一步消耗波浪能，增強平臺的穩定性，一舉兩得，從而實現網箱平臺生產、生活的安全與舒適。

3.4 創新性

網箱平臺在波浪作用下做升沉運動，帶動齒輪轉動，將運動產生的機械能轉化為電能，實現了操作平臺的用電自給自足；網箱在垂向上往復運動的同時也消耗了大量的波浪能，極大的減少了波浪對網箱平臺的作用力，增強了網箱平臺的穩定性。

在使用柔性網衣時，通過中央軸桿的連接作用，增強了網箱不同部分的整體連接性，產生較好的抗流性能。

4.總結

該設計利用張力腿結構升沉運動特性進行波浪能發電，與張力腿網箱平臺進行整合，從而充分發揮各部分結構的功能，并實現功能互補利用張力腿網箱生產平臺進行波浪能裝置設計進行發電，充分利用了既有功能設施的主體結構，既做到了網箱平臺發電的自給自足又增加了平臺的穩定性，各項功能相得益彰。