基于“海院1号”的海洋能深水网箱应用示范

陈树坤 李德堂

[摘要]无边的海洋中蕴藏着无数的宝藏，然而海洋环境又是恶劣复杂的。如何在环境条件复杂恶劣的海况下，获取储量丰厚的波浪能，创造出可观的社会效益，是一个世界瞩目的问题。我国古代在在治水与管水过程中，不畏洪水滔天，创造了无数奇迹，古人的智慧值得我们去借鉴。通过回顾古代水车的发明应用，并结合舟山海域的实际应用环境，将波浪能发电研究成果应用于深水网箱养殖，可形成一体化的产业开发模式，有效推动我国海洋能源的持续发展。

[关键词]恶劣环境；波浪能；水车；深水网箱

[中图分类号]S964 [文献标识码]A

1 引言

当前，我国能源的生产和消费量均已居世界前列，但能源生产和消费过程中存在的问题也十分突出。我国能源丰富，能源开发难度大。能源结构不合理，可再生能源开发利用比例低，传统的粗放型经济发展模式，导致我国正面临资源短缺枯竭的瓶颈和环境污染严重等难题。因此，在世界能源发展新的战略时期，我国积极探索海洋能的开发模式与产业途径，对提高能源利用率、转变资源消费形式、创造社会价值起着很大促进作用。

舟山地处杭州湾东侧，东临东海，岛屿众多，舟山大部分海域风浪较大、蕴藏着丰富的波浪能资源，对波浪能资源的开发利用有利于缓解舟山群岛能源紧缺问题。然而波浪能开发，面临的关键难题就是在于在复杂恶劣的海况下，发电装置要经受住风浪的冲击。（如图1所示）；特别是在台风下波浪能量不连续、极为不稳定，这时要求装置输出的电力平稳无波动，尽量减少冲击负荷过大导致发电终端的破坏。

本文结合舟山海域养殖优势，提出了波浪能发电与深水网箱一体化的产业开发模式，可有效推动我国海洋能源的持续发展。

2 水车的应用

洪水是人类最残酷的杀手，但我国古代在利用自然、改造自然过程中，从逐水而居、怕水、崇水到治水、节水、管水，创造了一次次辉煌。其中，如何有效地将水从低处提往高处，水车是最成功的发明之一，最典型的是筒车和翻车，其能量转换形式一个是线性运动，一个是圆周运动。（1）筒车。以水力为动力，冲动水轮自动运转而提水，竹筒里的水自动倾入输水槽中，水轮的直径几乎同于提水高度。（2）水转翻车。水轮有立式、卧式两种，是在有水落差的地方，利用水力带动木齿轮从而转动翻车的灌溉农具，适用于低水头的水力条件。（3）地域特性水车。千百年来，水车长因其鲜明的技术风格，适合于不同条件下的复杂环境，特别是适用于我国自然条件和资源的地区差异使其长盛不衰。兰州水车（如图2）的发明对我国农业的发展起着很大作用。水车轮径设计的高大，使得水车能够经得起黄河水的强大冲击力，才能从黄河中提取水量用于灌溉。

水车的应用不仅体现了中国古代在能源利用上的伟大创举，而且体现了中国古代科学技术的先进性和前沿性。

在能源開发时，古人想尽办法利用开发水能，来为自己服务。安置一处水力机械往往兼做几种工作，如筒车的轴上有时还附着水碓和水磨，一器多用，又如在缺乏天然急流的地方，设坝束水，形成激流。这些与自然生态环境整体和谐统一的创新，符合当代国家倡导的可持续发展的理念，对我们今天的海洋能开发，富有深远的科学启示意义。

3 “海院1号”波浪能发电的技术应用

针对复杂恶劣海况和波浪发电存在的的技术难题，浙江海洋大学在国家海洋局、海洋能技术中心、浙江省和舟山市各级政府领导的关心支持下，通过技术攻关，成功地研制了一套自升式波浪发电平台“海院1号”，创造了许多可以应用于海洋开发的新技术。

3.1 创新技术成果

3.1.1 发明了一种自适应随动波浪齿条。潮位实时变化所导致的最大问题就是需要频繁调整浮筒的浮态和平衡位置，才能保证点吸收式波浪发电装置正常运转。通过自适应随动波浪齿条与浮筒、液压机构相连，实现了第一级波浪能的实时收集传递，即使潮位变化达到4米，也能够正常工作。有效解决了潮位大幅变化造成发电间断不连续的难题，实现了全天候连续发电。

3.1.2 创新了一桩两体双升降调节技术。（1）发电状态下，平台主体升离海面，仅有浮子在水面波动取能；（2）恶劣海况下，浮子也能够升离海面，有效抵御风暴冲击；（3）海上移位与固定时，通过压载水的注入排放，自行完成插桩与拔桩作业。

相比同类技术的锚固式、打桩式海上作业：“施工量巨大、费用高昂的现状”，本技术作业程序简单可靠，不需要海上大型辅助作业装备，有效降低了生产成本。同时波浪发电核心设备均在海面之上，也消除了海水腐蚀影响，增加了设备的使用寿命，有效降低了管理维护成本。

3.1.3 创造了一种群组液压油缸取能技术。通过对称布置群组液压油缸与波浪齿条啮合，克服了目前浮子仅连接一个液压缸的取能不足缺陷，既可充分吸收了波浪能量，提高了转化效率，又消除了波浪扰动带来的冲击影响，实现了机械能向液压能的第二级平稳转换，图3为波浪发电液压系统原理图，共有3组液压油缸取能系统，每组有8只液压油缸。

3.2 深水网箱应用示范

我国捕捞业的迅速发展造成了近海渔业资源的不断匮乏。沿海渔民开始进行水产养殖。这些水产养殖主要集中在0～10m浅海的海湾、滩涂和近岸水域，利用率达90%以上。由于鱼虾高密度养殖和布局容易造成水产死亡、环境污染加剧、种质退化等问题，严重制约了海水养殖业的可持续发展。10～20m等深线以内的深海增养殖在我国水产养殖中利用不足10%，虽然港湾面积仅占海水养殖面积的30%，但产量却占海水养殖产量的60%以上。深海网箱养殖具有水质环境优良、能够提供鱼类品质等优势。然而深水网箱当养殖当前又存在抗风能力不强、深水环境对鱼类生长环境影响较大等问题。因此利用海院1号的技术成果可以提高深水网箱的抗风能力与稳定性。

3.3 深水网箱设计

网箱整体框架主要由上下浮体、四根桩柱以及网衣构成。其主要构成为：1.浮标，2.上浮体，3.液压插销，4.定位锁紧机构，5.上螺旋推进器，6.网衣，7.下浮体，8.锚，9.锚链，10.下螺旋推进器。图4、图 5 分别为网箱的构成图与三维立体图。

网衣连接在四根桩柱及上下浮体上形成一个密封的养殖空间，网箱的上下浮体主要用来为网箱提供浮力，实现网箱的上升与下降，网箱的上浮体按船型设计，可以减少航行阻力，在网箱的上浮体内安装有液压系统，液压系统通过液压马达控制螺旋桨进行推进与转向，为网箱提供动力，保证网箱正常航行。在上浮体与桩柱的连接处安装有定位锁紧系统，可以使得上浮体与四根桩柱在同一位置实现固定，保证网箱整体的稳定性。

4 结语

在全球能源转型的背景下，我国必须走创新发展之路，利用可利用的资源去创造社会收益，坚持可持续发展。因此，通过海洋能源技术创新示范应用，将“海院1号”波浪发电平台的成果转化于深水网箱养殖，立足我国国情，将会加快推动我国能源生产和利用方式的变革。

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