一種海上風(fēng)機(jī)的浮動式光伏水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱

王亞飛 孫剛 王鈞樟 張鑫 朱濤

摘? 要：本作品通過設(shè)計(jì)一種全新的海上節(jié)能環(huán)保型網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝置，通過將早先就存在的兩種海工裝置有機(jī)結(jié)合（海上網(wǎng)箱養(yǎng)殖以及大型海工發(fā)電平臺）;達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的功效，相比于一般的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，我方的優(yōu)勢在于：能量的自給、遠(yuǎn)洋化、以及可再生燃料代替化石燃料等。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)箱養(yǎng)殖;太陽能電池方針;遠(yuǎn)海養(yǎng)殖;自動調(diào)控;魚光互補(bǔ)

中圖分類號：S969? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0094-03

Abstract： This paper designs a new type of marine energy-saving and environmental protection cage culture device， and organically combines the two kinds of marine engineering devices that existed earlier （offshore cage culture and large-scale offshore power generation platform）， in order to achieve the effect of energy conservation and environmental protection. Compared with the general cage culture， the advantages our product lie in energy self-sufficiency， oceanization， and renewable fuel replacing fossil fuels， etc.

Keywords： cage culture; solar cell policy; open sea culture; automatic control; fish light complementary

1 簡介

平臺風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要通過將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在裝置內(nèi)部蓄電池中。太陽能供電系統(tǒng)主要有太陽能板和轉(zhuǎn)向裝置組成，安裝在裝置水面以上部位的追日太陽能方陣接受太陽光的照射產(chǎn)生直流電，直流電通過導(dǎo)電線輸入控制器進(jìn)行調(diào)整，接著輸入逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供應(yīng)安裝在平臺的用電設(shè)備。

利用此裝置的自給特性實(shí)現(xiàn)以前未曾達(dá)到的遠(yuǎn)洋特性，遠(yuǎn)海養(yǎng)殖避免了近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的集群性弊端，進(jìn)而能夠有效降低過度養(yǎng)殖造成的厭氧藻類以及水母等生物的增值，此外對于恢復(fù)近海水生環(huán)境有積極促進(jìn)作用。

裝置使用清潔綠色能源，在降低碳排放的同時(shí)，智能化的控制也減少因投放飼料對養(yǎng)殖海域的大規(guī)模污染;穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度使得養(yǎng)殖網(wǎng)箱的使用壽命至少可以達(dá)到20年，能夠有效降低資金回籠問題的風(fēng)險(xiǎn)。本作品設(shè)計(jì)方案通過在發(fā)電裝置內(nèi)設(shè)立風(fēng)機(jī)塔架升降艙室，從而給風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架提供有效的危機(jī)預(yù)防措施：伸縮式的塔架通過岸上的遠(yuǎn)程控制，根據(jù)天氣預(yù)警的情報(bào)調(diào)控風(fēng)機(jī)塔架的上下伸縮高度，通過合理的高度變化，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)迎風(fēng)力矩，最大限度避免力矩過大而造成超過臨界應(yīng)力的情況。光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置分別安裝在裝置的水面上下方，光伏電板、風(fēng)機(jī)發(fā)電與網(wǎng)箱養(yǎng)殖形成了漁光互補(bǔ)模式，進(jìn)而有效降低發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置的建設(shè)成本。

2 設(shè)計(jì)背景

面對人口增長趨勢越發(fā)嚴(yán)峻的現(xiàn)狀，特別是我國，單位人口的土地占有率幾乎可以算作為達(dá)到預(yù)警狀態(tài)。21世紀(jì)，不可避免的，如何可持續(xù)的索取海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為我國擺在桌面上的事情。而其中作為海洋經(jīng)濟(jì)的重要組成部分的海洋漁業(yè)，由古到今，都為世界食品供應(yīng)做出重要貢獻(xiàn)。但由于工業(yè)革命以來的機(jī)械化作業(yè)，過度捕撈與排放都使世界范圍內(nèi)的漁業(yè)資源開始持續(xù)性的衰退。因此實(shí)現(xiàn)海洋漁業(yè)資源的可持續(xù)性問題已經(jīng)成為擺在臺面上的重大命題。

我國的海洋養(yǎng)殖技術(shù)普遍較低，大量養(yǎng)殖網(wǎng)箱集中在近海港灣內(nèi)（渤海灣）;養(yǎng)殖密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過環(huán)境承載量。網(wǎng)箱的高度集中必然會降低區(qū)域內(nèi)的含氧量，因而，厭氧藻類和水母等厭氧生物便會大量繁殖，給區(qū)域環(huán)境造成不可逆的傷害;同樣這也增加了供氧裝置的經(jīng)濟(jì)成本。因此，我們可以得到一個(gè)結(jié)論：海產(chǎn)養(yǎng)殖必然會由近海集群化轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)洋網(wǎng)箱。

在2017年9月11日，由武船重工集團(tuán)海工研究院進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和總包建造的世界首座、規(guī)模最大深海半潛式智能養(yǎng)殖場“海洋漁場1號”，于挪威當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月11日16時(shí)58分順利在挪威弗魯灣完成卸貨。挪威海上養(yǎng)魚平臺（海洋漁場1號）是世界首座、規(guī)模最大的半潛式深海“漁場”，是集挪威先進(jìn)養(yǎng)殖技術(shù)、現(xiàn)代化環(huán)保養(yǎng)殖理念和世界頂端海工設(shè)計(jì)于一身、現(xiàn)代化全自動的深海養(yǎng)殖裝備。“深藍(lán)1號”箱體周長180米，高度30米，有效養(yǎng)殖水體5萬立方米，建成后可養(yǎng)殖鮭鱒魚類30萬尾，產(chǎn)量1500噸。該網(wǎng)箱為鋼結(jié)構(gòu)，可根據(jù)養(yǎng)殖海區(qū)水層溫度的季節(jié)性變化進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，從而提高養(yǎng)殖水體利用效率并為養(yǎng)殖魚類提供最佳的環(huán)境條件。

本文通過對比分析以往的區(qū)域海產(chǎn)養(yǎng)殖和大型海工設(shè)備的弊端，結(jié)合現(xiàn)代化的養(yǎng)殖模式和海工設(shè)備，在維持網(wǎng)箱魚群的正常生長同時(shí)，盡可能降低有關(guān)養(yǎng)殖裝置的碳排放，減少海工設(shè)備對燃油等不可再生資源的需求，進(jìn)而解決目前海洋漁業(yè)養(yǎng)殖存在的弊端。并且通過海工設(shè)備的機(jī)械化優(yōu)勢，做到魚群大規(guī)模養(yǎng)殖的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在綠色能源提供下的海水養(yǎng)殖無污染、零排放、純生態(tài)的養(yǎng)殖模式，建立起一系列海上資源循環(huán)利用的生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖模式。

除此之外，本文將現(xiàn)存的海洋綠色發(fā)電船業(yè)與大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝備結(jié)合起來，在基本保障網(wǎng)箱養(yǎng)殖的能源消耗的同時(shí)，也減少了化石燃料運(yùn)輸造成的資金浪費(fèi)。自給化也為遠(yuǎn)洋養(yǎng)殖提供基礎(chǔ)。同時(shí)設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控以及本部分智能化也減少了人工成本開支，極大的避免了人員操作的風(fēng)險(xiǎn)。因此，裝備的建成不僅帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同樣在安全性上也是無可比擬。

3 養(yǎng)殖網(wǎng)箱設(shè)計(jì)方案

本裝置是一種結(jié)合海上風(fēng)機(jī)的浮動式光伏發(fā)電水產(chǎn)養(yǎng)殖復(fù)合裝置。所述風(fēng)力發(fā)電裝置包括風(fēng)機(jī)主體和支撐結(jié)構(gòu)，所述其余裝置還包括升降塔架、光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置，升降塔架結(jié)構(gòu)滑動連接支撐結(jié)構(gòu)，光伏發(fā)電裝置設(shè)置于平臺結(jié)構(gòu)上方，養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置設(shè)置于浮筒結(jié)構(gòu)下方。本作品的設(shè)計(jì)方案通過在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置滑動伸縮塔架，可以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置分別安裝在浮筒的上下側(cè)，光伏電板裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置形成漁光互補(bǔ)，可以有效降低光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置建設(shè)成本。浮筒和支撐結(jié)構(gòu)的滑動連接方式，可以使浮筒可隨著海水水位變化上下自由移動，可以在海面升降和海浪沖擊時(shí)一定程度上防止光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置受損。光伏所發(fā)電能一部分用于為養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動投食裝置供電，另一部分與風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能共同并入平臺蓄電池中。

3.1 發(fā)電裝置一體化平臺設(shè)計(jì)

發(fā)電裝置平臺內(nèi)部由可滑動升降式塔架、三浮體式平臺、內(nèi)部艙室如：軸系轉(zhuǎn)換艙、變電設(shè)備艙、蓄電池艙、壓載艙等組成。且中央控制室作為接受指令、傳達(dá)指令的中樞成為整個(gè)養(yǎng)殖裝置的“核心”。

發(fā)電平臺設(shè)計(jì)根據(jù)三浮體式平臺具有在相同設(shè)施下排水量小、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)，在三處浮筒內(nèi)部設(shè)有風(fēng)機(jī)專用的塔架升降艙室，從而給風(fēng)機(jī)塔架提供足夠的抗彎強(qiáng)度儲備。在海上遇到惡劣氣象時(shí)，岸基會通過衛(wèi)星將塔架伸縮信號傳輸給設(shè)備主控室，主控室控制升降平臺降低高度，通過降低迎風(fēng)力矩的力臂來降低力矩;此外風(fēng)機(jī)葉片還配有類似飛機(jī)架的死角卡死裝置，將葉片固定，保障在惡劣氣象條件下，整個(gè)網(wǎng)箱裝置的穩(wěn)定性。

平臺風(fēng)機(jī)電源系統(tǒng)則采用的風(fēng)光互補(bǔ)方式，主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池、 系統(tǒng)控制器組成，同時(shí)鑒于海洋臺站維護(hù)難的問題，該系統(tǒng)研發(fā)的監(jiān)控模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)反饋蓄電池、負(fù)載電壓及有關(guān)參數(shù)，工作人員在遠(yuǎn)程可以做到反向操作。

3.2 平臺上層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電裝置包括光伏支架、光伏發(fā)電板和升降立柱，所述光伏支架通過若干升降立柱設(shè)置于平臺結(jié)構(gòu)上，所述光伏發(fā)電板安裝于光伏支架。光伏發(fā)電板接收太陽能進(jìn)行發(fā)電，光伏支架用于安裝光伏發(fā)電板，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。升降立柱使得光伏發(fā)電板和浮筒之間的垂直距離可根據(jù)情況調(diào)節(jié)，在需要打撈養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置中養(yǎng)殖產(chǎn)品時(shí)可調(diào)整立柱的高度以方便作業(yè)，在其余時(shí)間光伏電板高度略高于海洋波浪高度，以避免波浪直接拍擊光伏板，防止光伏板受荷破壞。

三浮體平臺上層主要有信號收發(fā)裝置、各種電子儀器。基地平臺上建有的信號收發(fā)裝置，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱裝置與岸基的信息互通有無，實(shí)時(shí)信息交互也提高了裝置的可靠性，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海養(yǎng)殖智能化、無人化。

在太陽光普照廣闊的海洋，安裝在海上平臺上的追日轉(zhuǎn)向的太陽能電池方陣接受陽光的照射產(chǎn)生直流電，直流電通過導(dǎo)電線輸入控制器進(jìn)行調(diào)整，接著輸入逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供應(yīng)安裝在養(yǎng)殖網(wǎng)箱上的蓄電池，滿足海上裝置夜間作業(yè)照明和全天生產(chǎn)作業(yè)用電的需要;直流電經(jīng)過控制器的調(diào)整后，也可以輸入內(nèi)部備用鋰離子電池貯存?zhèn)溆谩ｋS著技術(shù)的進(jìn)步，依附養(yǎng)殖網(wǎng)箱的太陽能電池方陣面積可以擴(kuò)大、光電轉(zhuǎn)換效率亦可不斷提高，便能夠提供更多的電力以供設(shè)備的多樣化操作。

太陽能電源系統(tǒng)主要由太陽能電池板組成，并且太陽能轉(zhuǎn)換成電能只有夜間無法工作的局限性。單晶硅太陽能板適用于近海的“非理想”氣候（多雨、多霧霾），可以高效率轉(zhuǎn)換能量，光電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)24%，可以最大限度將光能轉(zhuǎn)換成電能;采用光滑玻璃及防水樹脂進(jìn)行封裝，堅(jiān)固耐用，使用壽命一般可達(dá)15年，最高可達(dá)25年。

所述裝置還包括電力系統(tǒng)，所述電力系統(tǒng)包括防水電池、光伏電纜、風(fēng)機(jī)電纜、防護(hù)管和海底總纜。防水電池安裝于伸縮塔架結(jié)構(gòu)，防水電池連接光伏發(fā)電裝置，由光伏發(fā)電裝置供電;風(fēng)機(jī)電纜連接風(fēng)機(jī)主體，光伏電纜連接光伏發(fā)電裝置，防護(hù)管沿單柱側(cè)面設(shè)置，風(fēng)機(jī)電纜和光伏電纜則穿過防護(hù)管連接平臺總纜。

3.3 水下多功能綠色網(wǎng)箱設(shè)計(jì)

養(yǎng)殖網(wǎng)箱采用蜂窩形上下圍網(wǎng)式構(gòu)造，艙壁上的各種水文監(jiān)測器將水文信息與岸基實(shí)時(shí)交互，提高了漁業(yè)養(yǎng)殖的可靠性。

網(wǎng)箱的蜂窩形結(jié)構(gòu)，通過桁架與三浮體平臺連接，組成一個(gè)封閉的整體，網(wǎng)蜂窩形結(jié)構(gòu)是覆蓋二維平面的最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有優(yōu)秀的幾何力學(xué)特性，強(qiáng)度和剛度比同排水量的其他結(jié)構(gòu)優(yōu)秀許多，費(fèi)料少，性能優(yōu)異。

根據(jù)全球洋流的累計(jì)資料，實(shí)時(shí)的將養(yǎng)殖網(wǎng)箱運(yùn)輸?shù)竭m宜位置海域，并通過水文監(jiān)測器做出判斷、岸基做出預(yù)估，保證水文信息適宜魚群生存。

智能燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)，據(jù)最新研究表明，由燈光所影響的褪黑激素會造成魚類和人類的等脊椎動物的晝夜節(jié)律發(fā)生變化。（褪黑激素的降低可能導(dǎo)致免疫防御、生長和繁殖功能出現(xiàn)問題）養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部安裝智能燈光系統(tǒng)，解決因上層建筑遮擋而造成的光源不足問題，保證魚群生長環(huán)境，進(jìn)而保證養(yǎng)殖品質(zhì)。

因此，本作品設(shè)計(jì)具有如下有益效果：

（1）光伏發(fā)電裝置和養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置可隨海面自由上

下，抵御一定程度的海浪，保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

（2）光伏發(fā)電板相對平臺高度可調(diào)節(jié)，避免波浪直接拍擊光伏板，同時(shí)方便養(yǎng)殖網(wǎng)箱裝置內(nèi)海產(chǎn)品打撈作業(yè)。

（3）水文信息的實(shí)時(shí)交互、智能燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)，極大的提高了對于魚群生長環(huán)境的可靠性，進(jìn)而保證養(yǎng)殖的品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的收益。

4 現(xiàn)有理論技術(shù)與數(shù)據(jù)分析

隨著我國國民生活水平的逐步升高，人民群眾對于食品的要求也從溫飽到可口，再到營養(yǎng)層面。水產(chǎn)一直是我國餐桌上不可分割的一部分，其中的高檔海產(chǎn)更是好面子的中國人追求的首選之列。國人對高檔水產(chǎn)蛋白在飲食中的比重逐步提升，人均消費(fèi)量近年來也是逐步提升，高居不下。

近年來，國家不斷強(qiáng)調(diào)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重要性，金山銀山不如青山綠水，相關(guān)環(huán)保政策的不斷出臺，加上海生養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖理念和養(yǎng)殖方式正處在一個(gè)歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，加上2020年又是中央扶貧政策攻關(guān)的一年，在大環(huán)境的影響下，傳統(tǒng)捕撈業(yè)的衰退已經(jīng)成為必然;而近海養(yǎng)殖業(yè)由于環(huán)保政策的不斷推出，衰退也是一葉知秋，因此，遠(yuǎn)洋養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的盛行于世指日可待。

5 養(yǎng)殖規(guī)范化

5.1 水文信息的檢測

通過國家日益完善的水文監(jiān)測系統(tǒng)，以及日益完備的洋流信息儲備，能夠保證魚群擁有可靠的生長環(huán)境。

5.2 魚群養(yǎng)殖實(shí)時(shí)監(jiān)測

利用多種水質(zhì)檢測儀、高分辨的水下分辨系統(tǒng)檢測內(nèi)部生長情況，并匯報(bào)于岸基，岸基殼實(shí)時(shí)對內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行護(hù)理。

5.3 規(guī)章制度的建立

形成一套合理的規(guī)范是所有分析、處理的最終目標(biāo)。

洋流分析、預(yù)估;水文、水質(zhì)監(jiān)測;魚群生長檢測等，這一系列信息岸基應(yīng)形成一套有序的分析機(jī)制，最佳情況是：根據(jù)這些信息的特點(diǎn)制作一套分析軟件、規(guī)章制度。

6 結(jié)束語

遠(yuǎn)洋網(wǎng)箱養(yǎng)殖遵守魚群生長的自然規(guī)律，水產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。作為一種新型的海洋養(yǎng)殖方式，其未來市場前景廣大，它將原有的近海養(yǎng)殖的各種弊端予以消除，并向高度智能化、遠(yuǎn)程化發(fā)展。遠(yuǎn)海養(yǎng)殖正遇到歷史發(fā)展的好時(shí)機(jī)，2020年，國家扶貧攻堅(jiān)政策的逐步實(shí)施，環(huán)保政策的逐步開展，必然會導(dǎo)致競爭產(chǎn)業(yè)的衰退。在大型遠(yuǎn)洋養(yǎng)殖過程中，我國船舶于海洋專業(yè)必然面臨一系列的重大挑戰(zhàn)，但同時(shí)也會給本行業(yè)帶來新的機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊雪旗，章國寶，黃永明頓，等.風(fēng)光互補(bǔ)海水淡化系統(tǒng)安全性評估方法研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2019，32（5）：53-55.

[2]程友良，薛占璞，李占嶺，等.海上半潛式風(fēng)力發(fā)電塔基礎(chǔ)的水動力學(xué)特性分析[J].船海工程，2016，45（5）：151-156.

[3]何皛磊.“深海網(wǎng)箱”的應(yīng)用前景[J].船舶，2018（02）：7-12.

[4]深遠(yuǎn)海智能化漁業(yè)養(yǎng)殖平臺——“海洋漁場1號”[J].太平洋學(xué)報(bào)，2018（03）：11-11.

[5]中投投資咨詢網(wǎng).2019-2023年中國海洋漁業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報(bào)告[R].中投產(chǎn)業(yè)研究院，2019.