综合波浪能利用张力腿网箱平台

2020-09-07任健峰王长龙孙梓峰张俊生大连海洋大学海洋与土木工程学院

珠江水运 2020年15期

任健峰王长龙孙梓峰张俊生大连海洋大学海洋与土木工程学院

能源和渔业资源利用一直是两个绕不开的话题，特别是代表着先进生产力和孕育着重大技术突破的绿色能源和现代化网箱养殖作为重要的新技术载体，寻求着新的发展。海洋作为人类发展的拓展空间，海洋工程技术成为了一个重要的新技术载体和源泉。其中的海洋能工程、海洋渔业工程，更是海洋空间、能源、技术繁殖的综合性平台，成为一个重要的技术创新、空间利用和能源开发的增长点。

一方面，波浪能的客观储量显然是极其丰富的，但在当前的实际投入中遇到的难题之一是开发成本过高，尽管其发展的好处有目共睹，但在巨大的投入和产出落差之间，经济效益成为了不能回避的话题。当然，解决这一问题的关键还是技术突破，包括对波浪能转化机理的深入研究，从而探求转化效率的提高，但也应该探寻新的工程形式，实现构思上的突破，从工程结构综合利用伴生能源生产的优化设计中，达到波浪能的优质利用，降低波浪能发电成本。另一方面，新时代的“耕海牧洋”把渔业网箱推向大型化、平台化，能够在其上进行生产、生活工作。从安全的角度，网箱平台需要足够的稳定性；从工作便利角度，网箱平台需要电能自给。

因此，本文提出了综合波浪能利用张力腿网箱平台，使两方面的有效结合，实现网箱功能化、平台化和波浪能发电有效载体化。

1.海洋波浪能利用现状

目前利用波浪能发电的方法大致可分为三大类：一是利用波浪能将水引入高位水池积蓄起来，形成一个水头，然后冲击水轮机发电，如越浪式波浪能发电装置，具有代表性的发电装置有西班牙的WaveCat和丹麦的WaveDragon波浪装置等。二是利用海洋波浪能的上下运动所产生的空气流，使汽轮机转动，进而带动发电机发电，例如振荡水柱式波浪能发电装置，代表性的装置有日本的“巨鲸号”和英国的LIMPET 500等；三是利用海洋波浪能装置运动（摇摆转动、直线往复)的机械能转化为电能，例如振荡浮子式波浪能发电装置，具有代表性的装置有澳大利亚的CETO装置、美国的PowerBuoy装置、荷兰的阿基米德波浪摆、加拿大的AquaBuoy等。

目前，我国正处于信息化和工业化的经济高速发展时期,对能源的需求急剧增加，尤其是在我国沿海地区土地广阔、岛屿众多，对海洋开发和国防建设占有重要地位，开发利用海洋资源具有重要意义，海洋能源也有助于满足海防建设的基本要求。现阶段波浪能发电在设计水平和工艺制造水平上比早期的都要好。然而，从我国波能源开发的现状和科技研究成果来看,对于波浪能发电装置的理论体系和波浪能发电的技术研究还没有形成一个相对成熟和灵活的体系，相关测试和分析工作仍需继续进行。

2.波浪能与网箱平台的结合

深水网箱的波浪能量非常可观，一旦网箱波浪能技术成功开发，将波浪对网箱的破坏力，转化为深水水产养殖生产所需的电能，将产生一场养殖技术革命，有助于养殖企业的健康安全快速发展，也有利于加快我国新能源开发和海洋事业的发展，确保深海养殖业的安全生产和环境保护效益。利用波浪能与网箱平台相结合实现网箱养殖一体化是未来的发展趋势。

采取张力腿式网箱，可通过锚链的收缩实现网箱下潜与上升，加上波浪能发电技术可在网箱平台上的得到应用，更能实现自动化、智能化控制。所以研制出利用张力腿结构升沉运动发电网箱平台养殖，用海洋能发电系统为网箱系统提供动力来源，利用在养殖网箱周围捕获的波浪能作为发电系统，二者相互结合，一方面起到发电目的，另一方面减少了网箱内部的水流速度，起到了阻碍水流作用，更加有利于鱼群的生长发育。

3.综合波浪能利用张力腿网箱平台

3.1 结构特点

中间有一根独立中央管轴由张力缆索连接固定在海底，其余的网箱结构围绕轴杆组合而成。网箱上部是圆锥形的钢架结构，底部是钢制圆形圈，通过16根拉索连接，固定在海底。中间部分由柔性网衣围起养殖空间。中央轴杆从网箱的上部圆锥体和下部底圈中心垂直穿过，形成张力腿式平台形式。

中央管轴穿过上部圆锥形钢架与底部钢圈两部分，通过齿轮接触。同时在上部圆锥钢架顶部中心与下部钢制底圈中心均有封闭的发电装置。

3.2 发电方式

当该整体结构受波浪作用，中央轴杆底部因入水较深，受波浪产生的垂荡较小，而网箱结构部分因主要的上部圆锥钢架位于水面附近，会产生相对较大的垂荡。因此两者垂向运动幅值的差异会使网箱产生相对中央轴杆的位移。这样，通过波浪就能使网箱平台做升沉运动，从而带动相应的发电装置内的齿轮转动，通过发电机发电。就会将波浪能转化为机械能进而转化为波浪能，产生电量，自给自足。

3.3 结构稳定性

网箱如果采用柔性网衣，其底部结构因与主体结构柔性连接，在水下受流体作用后，网衣会产生很大水平向位移，导致网箱变形巨大，影响养殖空间。但在本设计中，底部钢圈与上部圆锥钢架之间的水平相对运动被中央轴杆约束住，使该设计在采用柔性网衣时，仍能保持很好的整体性、稳定性。

其次，本文所提平台是一种利用张力腿网箱平台垂荡运动直接发电的装置。尽管，这种发电方式也是利用波浪带动的机械运动转化为电能，但该机械运动不是附属构件的运动，而是直接利用平台结构的运动，所以，从根本上说，在机械能转化的过程中，是在耗散浮体平台的运动能量，有利用平台的稳定性。

最后，张力腿式结构的特点也决定了网箱平台的横向抗波浪能力较强，把运动主要限制在垂荡上，又成就了以上的波浪能发电方式。这样，设计出的网箱波浪能发电装置，既能借用网箱结构实现波浪能发电，降低发电成本，完成平台的电力自给，又能进一步消耗波浪能，增强平台的稳定性，一举两得，从而实现网箱平台生产、生活的安全与舒适。