漂浮式风力、洋流、太阳能综合发电平台

邱爰超, 郭杨阳, 王 斌

(武汉理工大学能源与动力工程学院 ， 湖北 武汉 430063)

我国近海风资源十分丰富，初步估算为 7.5 亿kW[1]，为陆地风力资源的3倍，可开发的海流能约为30 GW[2]．目前，海上利用清洁能源发电系统广泛采用柱状式结构来固定，这在离陆地相对远的海区内制造费用相对较高，且开发能源种类非常单一．而本设计可实现海上风力、洋流、太阳能的综合发电，凸显低碳能源开发的集成本色．

1 浮体平台设计

综合发电平台呈正六边形结构，在正六边形的每个角及正六边形的中心上各设有一个独立的浮体．正六边形的中央浮体与各个角浮体之间、相邻的角浮体之间通过支撑浮体相连从而组成一个整体骨架平台，整体骨架平台上方设有甲板，甲板上铺设有太阳能电池板．在各角浮体上还设有进排水腔室，以便于在安装时调节整体骨架平台的水平度(图1)．

图 1 漂浮式综合发电平台三维立体图

另外，定位机构、储能装置、电力并网控制系统安装于中心附体上．每个角浮体上有一个带有锤摆的风力涡轮机、洋流涡轮机以及连接它们的双转子发电机，此外还有用于动力定位的推进器．

2 涡轮机设计

2.1 风力涡轮机

风力涡轮机采用垂直轴式风力机，风机叶片整体为“H”型，三叶片结构(图2)．垂直轴式风力机在克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力机不可比的优点[3]．此外，其构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，可靠性较高，并且它在低风速运转时发电量也较大，在风轮旋转时也不会因变形而改变效率．

图 2 垂直轴式风力机效果示意图

风力机主转动轴两侧分别增加两个成180°对称布置的摆锤结构．当风力变小时，能通过摆锤的惯性阻止风机叶片的减速；当风力变大时，摆锤可吸收一部分风能，从而避免风机叶片的速度过快．这个结构能够增加风能的利用率，使装置能平稳地顺应风力的变化，增加系统稳性，但是它的启动风速将会增大．

2.2 洋流涡轮机设计

洋流涡轮机是流体能量的转换装置，它把流体的动能转换成涡轮机的机械能，从而带动发电机发电，把机械能再转换成电能．海流能发电原理与风力发电、水力发电原理相似，是利用流动的介质来推动水轮机发电．这里同样采用竖直式涡轮机，其叶片成流线型机翼状，叶片整体采用“H”型，六叶片结构(图3)．在水流流过叶片时利用其受到的升力，能够很好地利用洋流能．

图 3 洋流涡轮机效果示意图

涡轮机采用特殊的复合材料制成，材料的抗拉能力是钢材的10倍以上[4]，这种材料制成的涡轮机在风暴中遭受毁灭性破坏的可能性不大．竖直式涡轮机由于其自身的结构优势,其抗毁能力远比水平式涡轮机强大得多．

2.3 双转子发电机

采用双转子发电机(图5)连接风力涡轮机和洋流涡轮机，风力涡轮机和洋流涡轮机分别连接双转子发电机的内转子和外转子．这两个涡轮机的叶片安装方向相反，在外力的作用下，这两个涡轮机绕发电平台中心轴做互相逆向旋转，带动发电机的内外转子逆向旋转发电．如图6中内转子16和外转子17逆向旋转的双转子发电机具有增能效应，将产生1+1>2的效果．也就是说利用逆向旋转的双转子发电机所产生的电能大于分别利用风力发电和水力发电所产生的电能之和．

图 4 双转子发电机

1-风力机叶片；2-连接法兰；3-垂摆；4-内转子轴；5-外转子轴；6-内转子；7-外转子；8-涡轮连接轴；9-洋流涡轮机叶片图 5 风力、洋流发电机的安装示意图

3 展望

漂浮式发电平台不仅能解决固定式支撑基础造价高、施工复杂的难题[5]，而且根据不同海域的具体情况，可以多个平台组合成蜂窝状进行阵列式组合成为一个大型的“能源岛”，可大可小，结构空间利用率高并且稳定．随着我国能源需求量的急剧攀升以及传统化石能源即将消耗殆尽，清洁能源的开发利用迫在眉睫．此外，现在海上单一发电模式的相关技术日益成熟，这些条件将使海上综合发电平台具有很大的市场潜力．

[参考文献]

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

[2] 司占博,郑卫刚.风力水流发电机系统的研究[J].电力电子,2012(1):40-43.

[3] 杨国良,张广路.垂直轴磁悬浮风电系统神经模糊PID悬浮控制[J].微电机,2010(8):41-46.

[4] 章利军.碳纤维对桥梁构件抗弯加固的应用研究[D].杭州:浙江大学,2008.

[5] 赵 静,张 亮.模型试验技术在海上浮式风电开发中的应用[J].中国电力,2011,44(9):55-60.