新型海洋能综合利用发电平台设计

柳博瀚 付宗国等

摘 要：为了充分利用海洋可再生能源，文章设计出全新海洋能发电装置，能同时将海上风能，海面波浪能，水下海流能发电设施集中在一台机组上，每个模块全采用驱动液压，将分散的能量以液压能的形式集聚推动发电机转动，实现多种能量耦合互补，聚集能量，提高发电效率，保证装置发电稳定。整个装置采用模块化组合设计，可以降低单位造价和海上运输施工成本，解决了海洋能发电效率低而且不稳定的问题，是一种高性价比的海洋能开发方式，可作为海洋平台的辅助设备或为离岛供电，具有重要经济价值和社会意义。

关键词：海洋能发电装置；液压驱动；风能；潮流能；波浪能

前言

随着人类不断加大化石燃料開采力度，传统能源逐渐枯竭。能源短缺已经成为当今世界不得不面对的共同问题，因此各国都投入大量人力、物力进行可再生能源的开发研究[1]。

海洋能的研发成为各国关注的焦点，首先海洋能在海洋总水体中的蕴藏量巨大，而单位体积、单位面积、单位长度所拥有的能量较小。这就是说，要想得到大能量，就得从大量的海水中获得。其次海洋能具有可再生性。海洋能来源于太阳辐射能与天体间的万有引力，只要太阳、月球等天体与地球共存，这种能源就会再生，就会取之不尽，用之不竭[2]。然而海洋能利用有着诸多问题，比如发电效率低，周期不稳定等，文章利用风能，海流能，波浪能联合发电，提高了发电效率，利用驱动液压，可以使装置发电稳定。

1 总体设计

海洋风能-波浪能-潮流能综合液压驱动发电装置的设计目标是提高海洋能源的利用效率，降低海洋能源发电的成本[3]。模式化组合设计可以提高装置的使用寿命，降低装置的成本，并使装置可以得到更快的普及。

如图1所示，本装置主要包括：风力转换模块、集总液压驱动发电模块、波浪转换模块、海流能转换模块、连接立柱、支撑横梁、固定桩座等组成。

风力转换模块是风力吹动竖轴风机带动产生高压液压流动，将风能转化为液压能；波浪转换模块是起伏的波浪带动振荡浮子运动，驱动高压液压流动，将波浪能转化为液压能；海流能转换模块是海流冲击导流罩涡轮转动，带动液压转动，将海流能转化为液压能[4]。上述三种转化液压能通输送到集总液压驱动发电模块中，将所有液压能量汇总，统一将海洋能转化为稳定的电能，消除了单个能量不稳定的情况，形成多种能量互补。连接立柱、支撑横梁和固定桩座将各模块紧固在一起，以抵挡风浪的冲击。

2 发电模块装置

2.1 液压系统

集总液压驱动发电模块由进出油管、进出油管、液压马达、发电机、油箱、蓄能囊、内部油管、防护箱、信号收发器、主控制器等组成，如图2所示。

防护箱对精密的主控制器实现安全保护，屏蔽恶劣环境。主控制器采用电液比例技术调节流量，最终实现稳定的功率输出。信号收发器实现主控制器与远程监控人员通信，实时传授监测以控制信号。

从波浪转换模块、海流能转换模块传来的高压液压油通过进出油管进入通过由进出油管与第一个净化器连接处的一根油管进入净化器。接着通过净化器除去杂质和水分然后进入油箱，再通过内部油管流入蓄能囊内，蓄能囊能消除干扰与流体波动，能量蓄积后以稳定的流量推动液压马达旋转，带动发电机转动发电，液压油压力消耗后流回油箱，油箱内液压油再通过净化器和进出油管连接的另一个油管送回到波浪转换模块和海流能转换模块，实现循环流动。

2.2 风能发电模块

风力转换模块是由叶柄、垂向叶片、转动轴承、液压泵、进出油管等组成。叶柄将四个垂向叶片与转动轴承连接在一起，风吹动垂向叶片带动液压泵转动，液压泵通过进出油管将升压的液压油连入集总液压驱动发电模块中，如图3所示。

在本装置中，要求装置有一定的抗风浪的能力。故而要尽可能地降低装置的重心，所以采用重心低的竖轴风力发电装置。并且近海海况通常情况下风力不大，因而不会产生风力过大导致装置速度难以控制的情况，同时竖轴风力发电装置可以比横轴风力发电装置更好的适应近海地区风力的不稳定性（竖轴风力发电装置可以适合万向风）。且因为其结构简单的优点，可以大大的减少成本。

2.3 波浪能发电模块

振荡浮子式装置结构，如图4所示，波浪转换模块由连接支管、振荡浮子、油缸、活塞、进出油管和导杆组成[5]。起伏的波浪带动振荡浮子上下运动，进而带动活塞沿着导杆在油缸内上下运动，实现上下交替抽油排油，液压油经过进出油管与集总液压驱动发电模块相连，最终振荡浮子实现往复抽油与压油，提供高压液压油，而连接支管将模块组合在主体上，进行液压油往复循环。

为本装置振荡浮子的一个简化形式，本装置采用固定式振荡浮子[6]。因为本装置的设计使用水深较小，固定方式采用直接锚固与海底的固定方式，发电效率较高[7]。

本装置采用液压推动式能量转化系统，平滑了液压功率和压力的波动，提高了可靠性，发电功率和发电稳定性。当波浪较小时，蓄能稳压系统起储能作用，将过小能流的液压能储存起来，再以最大功率释放，实现间断发电，以避免功率太小导致效率下降。该系统根据液压平衡原理打开或关闭液压马达上游的阀门，在浪时能实现间断发电。显然上述控制系统实际上也适用于大浪的连续发电工作情况。在大浪时储蓄稳压系统的的压力在Pmax-Pmin之间，当压力提高时，液压马达的排量会自动加大，反之变小，形成负反馈。再加上稳压系统的储能作用，当波浪大到一定程度时，自动进入连续发电的工作状况。

2.4 潮流能发电模块

导流罩的原理与扩散器相似，利用壁面型线对流场的干扰，使更多的流体可以流入罩内，提高罩内的流速。将轮机置于导流罩内部，相当于增大了来流速度，从而提高了轮机功率[8]。弹簧控角水轮机功率特性的实验曲线证明，带扩张门的导流罩可以将叶轮的能量利用率峰值提高47.8%，同时扩大了叶轮高效运转的速比范围[9]。

如图5所示，潮流能转换模块是由导流罩、叶轮、轮轴、固定板、液压泵、进出油管等组成。

张口的导流罩将潮流聚集冲击叶轮旋转，通过轮轴带动液压泵运转，通过进出油管将升压的液压油通入集总液压驱动发电模块，进行液压油往复循环。

3 总结与展望

文章介绍一种新型海洋多能发电平台， 文章从发电平台的总体介绍， 各个模块获能装置的设计，液压系统的设计以及发电装置等几个方面研究。本研究设计的装置可以在近海和近岸使用，面对的对象也不相同。在近岸范围，可以并入陆地电网进行发电。如果在养殖场附近的话也可以给养殖场提供电源，在堤坝旁可以给堤坝的基础设施比如路灯，灯塔之类的海上、海岛设施发电。在近海范围，本装置可以给海洋平台发电，比如对海洋钻井平台来说，对电的需求极大，本装置可以作为海洋平台的附属装置，能极大减少海洋平台对外界电流的需求节约成本，减少能源消耗。本装置可以根据实际海况和应用需求而调整模块组成，进行快速组合。文章设计的海洋风能-波浪能-潮流能综合液压驱动发电装置效率更高，是能大规模推广的创新理念。

参考文献

[1] R.Curran， T. J. T.Whittaker， T. P.Stewart. Aerodynamic Conversion of Ocean Power From Wave To Wire [J].Energy Conversion and Management， 1998，39（16-18）：1919～1929.

[2]施伟勇，王传岜，沈家法，等.中国的海洋能资源及其开发前景展望[J].太阳能学，2011，32（6）：913-923.

[3]一种多功能综合液压驱动发电装置[P].中国，CN103174580A.

[4]熊焰，王海峰，崔琳，等.大管岛多能互补独立发电系统的发电量设计[J].海洋技术，2009，28（1）：101～103.

[5]石世宁， 耀保.摆式海洋波浪能量转换原理与应用[J].液壓气动与密封，2013，33（1）：1-5

[6]历福伟.浮子形状对振荡浮子式波浪发电装置发电效率的影响[D].哈尔滨工业大学，2011.

[7]王贵彪，李德堂，谢永和.波浪发电装置浮筒及导向柱结构强度分析[J].中国造船，2012（4）：157-163.

[8]张亮.潮流水轮机导流罩的水动力设计[J].哈尔滨工程大学学报，2007，28（7）：735-737.

[9]林勇刚，李伟，刘宏伟，等.水下风车海流能发电技术[J].浙江大学学报，2008，42（7）：1242～1246.