远洋大型半潜式发电平台设计与研究

刘轩　刘邓华

摘要：为了减弱现有海流能发电装置的海域局限性，提出了一种浮动半潜式海流能发电装置。该大型海上结构物实现了传统波浪能发电、洋流能发电、风力发电与光伏发电的有机结合。采用浮动与锚栓的方式实现了装置深海、远洋发电。采用半潜与潜水模式相结合的方式，适应了远洋风大浪高的海况，保证了装置结构完整性;结合海洋环境检测模块、平台姿态和位置控制与检测模块、系泊系统控制与检测模块以及供电系统控制与检测模块，实现了远洋条件下运行的稳定性。综合分析了该结构在远洋流速条件下的流体性能与兴波阻力，并对系统进行了结构优化。该装置主要对未来大型海上城市进行能源供应及环境探测。

关键词：海流能;发电装置;风力发电;洋流能发电

中图分类号：TM61

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.006

1 项目背景及意义

对于人类未来要探索的深海、远海地区，以波浪能与洋流能为首的高品质海洋能，是开发与研究的热点与重点[1]。波浪能分布广泛，而且有较大的波能流密度，可通过较小的装置提供可观的廉价能源。洋流能储量大，所具有的能量转化率高，也普遍引起相关从业人员的注意。

阵列浮子式波浪能发电装置是目前发展较好的一种波浪能发电装置，近些年电机技术迅速发展，阵列浮子采用直线发电机直接发电而得到大量应用。阵列浮子式波浪能转换装置由浮体、连杆、液压传动机构、蓄能器、发电机、保护装置及控制装置等多个部分组成。当波浪上下起伏引起浮子的升沉运动时，浮子将吸收波浪能并转化为自身的动能与势能;再经过中间的液压装置进行能量传输，最终转化为液压马达的机械能，驱动发电机进行发电，电流由海底电缆输送到岸上，也可通过其他设备制造淡水或冰[2]。这种阵列浮子波浪能发电装置不受潮位的影响，可漂浮在离岸较远的深水区域。

综上所述，波浪能与洋流能是深海、远海中海洋能源开发的重点，也是本设计所研究利用的重点。

2 平台设计

本作品针对现有海洋能发电方式、地点和供电对象的局限性，并基于对現有海流发电技术和无线充电技术的研究，系统地设计了一种针对于远洋海域的半潜式海洋能综合开发平台。

本平台主要由上部垂直轴风力发电机、中部太阳能电池板、振荡浮子波能发电组以及水平轴洋流发电机组构成。其中，在平台正常运行时，垂直轴风力发电机、中部太阳能电池板以及振荡浮子波能发电组始终位于海面以上，水平轴洋流发电始终位于海面以下捕获洋流能。为了适应远洋风大浪高的恶劣海况，本平台内置大量压载水舱，在外界环境传感器对外界信息进行采集与分析后，本装置可打开进水闸，压载水舱进水，装置整体下潜至海面以下，以保证装置结构的完整性。本平台效果图如图1所示。

本作品针对海洋浮式平台的特点，结合本作品的设计要求进行系统的设计与研究。以下对分模块进行介绍。

2.1 波能转化系统

2.1.1 阵列浮子波浪能发电系统

本文设计的波浪能发电装置安装于海洋能发电平台的支撑骨上，每个支撑骨由8套浮子、液压系统组合而成，平台两侧各分布4套浮子系统。浮子系统的主要部件包括浮子、浮子臂、液压系统等，其中浮子臂连接摆动液压缸的转轴，液压缸固定在平台支架上，浮子通过浮子臂与平台连接。阵列式浮子系统主要包括直接吸收波浪能的阵列浮子、用于衔接浮子与液压虹的浮子臂、具有自动和机械两种方式的防台风装置等。单个浮子的结构如图2所示。

浮子通过浮子臂安装于支撑骨两侧，支撑骨两侧对称分布的浮子组成一个发电组，该发电组公用一套发电机、减速器以及换向装置。同时，在浮子转轴、换向装置和减速器等处安装了位移传感器、扭矩传感器、转速传感器、压力传感器等以实现数据监测和采集。

2.1.2 新型水平轴洋流发电系统

本作品设计的洋流发电机主机不同于传统主机，传统主机与支撑机构位置固定，洋流发电主机可以发生一定角度的转动。位于海面以上的部分通过中心轴与下部水平轴洋流发电机组相连。结构内部采用行星轮减速器设计，使得装置下部可以实现随洋流方向转动。转向系统如图3所示。

2.2 电力系统控制与输出

本作品计划单部海洋能开发平台发电50 MW海洋能电力，单部海洋能开发平台发电电力分配由以下三部分组成：①水平轴洋流发电系统，目标发电20 MW;②阵列浮子波浪能发电系统，目标发电30 MW;③太阳能发电系统，目标发电0.5 MW;④垂直轴风力发电机，目标发电3 MW。

每个发电系统都要经过AC/DC整流变换，DC/DC直流隔离，输出600 V直流电然后并网到直流母线上，再经过输配电与能量管理系统的调度通过海底电缆或平台的无线充电系统进行电力供应。整流电路如图4所示。

电力变换装置主要包括AC/DC整流电路、升压电路、DC/DC隔离电路。综合发电机组输出3 400V直流电，通过系统直流母线并网，最后进行逆变输出。整个系统还包括应急远程操控装置及总能量管理系统。

水平轴洋流发电系统与阵列浮子波浪能发电系统发电原理在上文中已进行介绍，太阳能发电方式已是成熟技术在此不多赘述。总体结构如图5所示。

2.3 针对洋流发电装置进行的载荷强度分析

从图6可以得出，在水流途经合理缩放的水轮机叶轮过程中流速是发生变化的，当靠近叶轮时流速逐步下降，经过叶轮后，水流向叶轮外侧扩散，在叶轮背部形成一片低流速区域，也是低压力区域。在对叶轮的受力分析时主要是对叶轮的叶片进行强度受力分析，叶片的受力主要由沿流方向的流向载荷和提供转矩的径向力和切向力组成，三者是对叶片造成的主要载荷，即流向载荷、径向载荷、切向载荷。其与转速变化直接相关，转速越大，流向载荷和径向载荷越大，而切向载荷还与叶轮径向轴所受转矩有关，转矩最大时，切向载荷最大，在这三个载荷中，流向载荷是叶片承受的主要载荷。在叶轮X，Y，Z三个方向进行单叶片载荷集中力分析，如表1所示。

分析可得三种载荷都随着流速的增大而逐渐增大，而流向载荷增加的幅度最大，径向载荷和切向载荷的增幅很小。表1计算出的数据，是在极限流速2.35 m/s、转速最大工况下的载荷。

结果显示：叶轮捕获的功率P随流速而增大，但当流速大于2.4 m/s时功率并没有趋于恒定。推力，随着流速而增大，Cp随叶尖速比λ而变化，在大约5.7时取得最大捕能效率;大于5.7后功率系数Cp开始变小，同时在最佳捕能点周围，功率系数随叶尖速比λ的变化相对平缓。推力系数CT随叶尖速比λ增大而增大，当叶尖速比在最佳捕能点以后，推力系数增加趋于平缓。

3 应用前景

远洋半潜式海洋能综合开发平台相对于传统形式的海洋能开发装置，稳定性更高，并具有更好的耐波性，工作时它通过自身压载水的调整及借助于垂直本体形式和水平本体的特殊设计可在发电过程中提供良好的稳性，可以根据洋流、海浪的大小与方向不规则的特点，改变装置的运作形式，提升平台整体作业效率。同时，其安装相对简单方便，节省了运输与安装成本，也使得它的竞争优势比较明显，且未来深海城市建设与远洋能源开发是深海探索的主旋律，远洋半潜式海洋能综合开发平台有很好的应用前景。

通过项目设计与研发，成功实现多元化发电系统、电力输出系统、远洋浮动支撑平台、中央控制系统的论证与设计，掌握大型海洋能源开发装置的设计与建造的核心关键技术，增强国内相关技术储备。而拥有自主知识产权的设计和建造可使中国深海海洋能源开发的研发水平实现跨越式的发展，引领行业发展。

参考文献：

[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.