基于“海院1號”的海洋能深水網(wǎng)箱應用示范

陳樹坤 李德堂

[摘要]無邊的海洋中蘊藏著無數(shù)的寶藏，然而海洋環(huán)境又是惡劣復雜的。如何在環(huán)境條件復雜惡劣的海況下，獲取儲量豐厚的波浪能，創(chuàng)造出可觀的社會效益，是一個世界矚目的問題。我國古代在在治水與管水過程中，不畏洪水滔天，創(chuàng)造了無數(shù)奇跡，古人的智慧值得我們?nèi)ソ梃b。通過回顧古代水車的發(fā)明應用，并結(jié)合舟山海域的實際應用環(huán)境，將波浪能發(fā)電研究成果應用于深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，可形成一體化的產(chǎn)業(yè)開發(fā)模式，有效推動我國海洋能源的持續(xù)發(fā)展。

[關鍵詞]惡劣環(huán)境；波浪能；水車；深水網(wǎng)箱

[中圖分類號]S964 [文獻標識碼]A

1 引言

當前，我國能源的生產(chǎn)和消費量均已居世界前列，但能源生產(chǎn)和消費過程中存在的問題也十分突出。我國能源豐富，能源開發(fā)難度大。能源結(jié)構(gòu)不合理，可再生能源開發(fā)利用比例低，傳統(tǒng)的粗放型經(jīng)濟發(fā)展模式，導致我國正面臨資源短缺枯竭的瓶頸和環(huán)境污染嚴重等難題。因此，在世界能源發(fā)展新的戰(zhàn)略時期，我國積極探索海洋能的開發(fā)模式與產(chǎn)業(yè)途徑，對提高能源利用率、轉(zhuǎn)變資源消費形式、創(chuàng)造社會價值起著很大促進作用。

舟山地處杭州灣東側(cè)，東臨東海，島嶼眾多，舟山大部分海域風浪較大、蘊藏著豐富的波浪能資源，對波浪能資源的開發(fā)利用有利于緩解舟山群島能源緊缺問題。然而波浪能開發(fā)，面臨的關鍵難題就是在于在復雜惡劣的海況下，發(fā)電裝置要經(jīng)受住風浪的沖擊。（如圖1所示）；特別是在臺風下波浪能量不連續(xù)、極為不穩(wěn)定，這時要求裝置輸出的電力平穩(wěn)無波動，盡量減少沖擊負荷過大導致發(fā)電終端的破壞。

本文結(jié)合舟山海域養(yǎng)殖優(yōu)勢，提出了波浪能發(fā)電與深水網(wǎng)箱一體化的產(chǎn)業(yè)開發(fā)模式，可有效推動我國海洋能源的持續(xù)發(fā)展。

2 水車的應用

洪水是人類最殘酷的殺手，但我國古代在利用自然、改造自然過程中，從逐水而居、怕水、崇水到治水、節(jié)水、管水，創(chuàng)造了一次次輝煌。其中，如何有效地將水從低處提往高處，水車是最成功的發(fā)明之一，最典型的是筒車和翻車，其能量轉(zhuǎn)換形式一個是線性運動，一個是圓周運動。（1）筒車。以水力為動力，沖動水輪自動運轉(zhuǎn)而提水，竹筒里的水自動傾入輸水槽中，水輪的直徑幾乎同于提水高度。（2）水轉(zhuǎn)翻車。水輪有立式、臥式兩種，是在有水落差的地方，利用水力帶動木齒輪從而轉(zhuǎn)動翻車的灌溉農(nóng)具，適用于低水頭的水力條件。（3）地域特性水車。千百年來，水車長因其鮮明的技術風格，適合于不同條件下的復雜環(huán)境，特別是適用于我國自然條件和資源的地區(qū)差異使其長盛不衰。蘭州水車（如圖2）的發(fā)明對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著很大作用。水車輪徑設計的高大，使得水車能夠經(jīng)得起黃河水的強大沖擊力，才能從黃河中提取水量用于灌溉。

水車的應用不僅體現(xiàn)了中國古代在能源利用上的偉大創(chuàng)舉，而且體現(xiàn)了中國古代科學技術的先進性和前沿性。

在能源開發(fā)時，古人想盡辦法利用開發(fā)水能，來為自己服務。安置一處水力機械往往兼做幾種工作，如筒車的軸上有時還附著水碓和水磨，一器多用，又如在缺乏天然急流的地方，設壩束水，形成激流。這些與自然生態(tài)環(huán)境整體和諧統(tǒng)一的創(chuàng)新，符合當代國家倡導的可持續(xù)發(fā)展的理念，對我們今天的海洋能開發(fā)，富有深遠的科學啟示意義。

3 “海院1號”波浪能發(fā)電的技術應用

針對復雜惡劣海況和波浪發(fā)電存在的的技術難題，浙江海洋大學在國家海洋局、海洋能技術中心、浙江省和舟山市各級政府領導的關心支持下，通過技術攻關，成功地研制了一套自升式波浪發(fā)電平臺“海院1號”，創(chuàng)造了許多可以應用于海洋開發(fā)的新技術。

3.1 創(chuàng)新技術成果

3.1.1 發(fā)明了一種自適應隨動波浪齒條。潮位實時變化所導致的最大問題就是需要頻繁調(diào)整浮筒的浮態(tài)和平衡位置，才能保證點吸收式波浪發(fā)電裝置正常運轉(zhuǎn)。通過自適應隨動波浪齒條與浮筒、液壓機構(gòu)相連，實現(xiàn)了第一級波浪能的實時收集傳遞，即使潮位變化達到4米，也能夠正常工作。有效解決了潮位大幅變化造成發(fā)電間斷不連續(xù)的難題，實現(xiàn)了全天候連續(xù)發(fā)電。

3.1.2 創(chuàng)新了一樁兩體雙升降調(diào)節(jié)技術。（1）發(fā)電狀態(tài)下，平臺主體升離海面，僅有浮子在水面波動取能；（2）惡劣海況下，浮子也能夠升離海面，有效抵御風暴沖擊；（3）海上移位與固定時，通過壓載水的注入排放，自行完成插樁與拔樁作業(yè)。

相比同類技術的錨固式、打樁式海上作業(yè)：“施工量巨大、費用高昂的現(xiàn)狀”，本技術作業(yè)程序簡單可靠，不需要海上大型輔助作業(yè)裝備，有效降低了生產(chǎn)成本。同時波浪發(fā)電核心設備均在海面之上，也消除了海水腐蝕影響，增加了設備的使用壽命，有效降低了管理維護成本。

3.1.3 創(chuàng)造了一種群組液壓油缸取能技術。通過對稱布置群組液壓油缸與波浪齒條嚙合，克服了目前浮子僅連接一個液壓缸的取能不足缺陷，既可充分吸收了波浪能量，提高了轉(zhuǎn)化效率，又消除了波浪擾動帶來的沖擊影響，實現(xiàn)了機械能向液壓能的第二級平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，圖3為波浪發(fā)電液壓系統(tǒng)原理圖，共有3組液壓油缸取能系統(tǒng)，每組有8只液壓油缸。

3.2 深水網(wǎng)箱應用示范

我國捕撈業(yè)的迅速發(fā)展造成了近海漁業(yè)資源的不斷匱乏。沿海漁民開始進行水產(chǎn)養(yǎng)殖。這些水產(chǎn)養(yǎng)殖主要集中在0～10m淺海的海灣、灘涂和近岸水域，利用率達90%以上。由于魚蝦高密度養(yǎng)殖和布局容易造成水產(chǎn)死亡、環(huán)境污染加劇、種質(zhì)退化等問題，嚴重制約了海水養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。10～20m等深線以內(nèi)的深海增養(yǎng)殖在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖中利用不足10%，雖然港灣面積僅占海水養(yǎng)殖面積的30%，但產(chǎn)量卻占海水養(yǎng)殖產(chǎn)量的60%以上。深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖具有水質(zhì)環(huán)境優(yōu)良、能夠提供魚類品質(zhì)等優(yōu)勢。然而深水網(wǎng)箱當養(yǎng)殖當前又存在抗風能力不強、深水環(huán)境對魚類生長環(huán)境影響較大等問題。因此利用海院1號的技術成果可以提高深水網(wǎng)箱的抗風能力與穩(wěn)定性。

3.3 深水網(wǎng)箱設計

網(wǎng)箱整體框架主要由上下浮體、四根樁柱以及網(wǎng)衣構(gòu)成。其主要構(gòu)成為：1.浮標，2.上浮體，3.液壓插銷，4.定位鎖緊機構(gòu)，5.上螺旋推進器，6.網(wǎng)衣，7.下浮體，8.錨，9.錨鏈，10.下螺旋推進器。圖4、圖 5 分別為網(wǎng)箱的構(gòu)成圖與三維立體圖。

網(wǎng)衣連接在四根樁柱及上下浮體上形成一個密封的養(yǎng)殖空間，網(wǎng)箱的上下浮體主要用來為網(wǎng)箱提供浮力，實現(xiàn)網(wǎng)箱的上升與下降，網(wǎng)箱的上浮體按船型設計，可以減少航行阻力，在網(wǎng)箱的上浮體內(nèi)安裝有液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)通過液壓馬達控制螺旋槳進行推進與轉(zhuǎn)向，為網(wǎng)箱提供動力，保證網(wǎng)箱正常航行。在上浮體與樁柱的連接處安裝有定位鎖緊系統(tǒng)，可以使得上浮體與四根樁柱在同一位置實現(xiàn)固定，保證網(wǎng)箱整體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

在全球能源轉(zhuǎn)型的背景下，我國必須走創(chuàng)新發(fā)展之路，利用可利用的資源去創(chuàng)造社會收益，堅持可持續(xù)發(fā)展。因此，通過海洋能源技術創(chuàng)新示范應用，將“海院1號”波浪發(fā)電平臺的成果轉(zhuǎn)化于深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，立足我國國情，將會加快推動我國能源生產(chǎn)和利用方式的變革。

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