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浮动式海洋能源转换充电平台结构优化设计

2024-11-10 42 上传者：管理员

摘要：【目的】海洋牧场管理的智能化，需要大量电子设备支持。设备的运行带来海上能源供给新问题——能量补给。如何实时有效地对水上用电设备进行能量补给，且不增添陆上电网的负担，成为该行业亟待解决的问题。【方法】本研究设计了一款太阳能、风能、波浪能三位一体的浮动式海洋能源转换充电平台。该平台储能供能一体，可有效地将风能、太阳能、波浪能转换为电能进行存储，设置六个无线充电点，可同时为不同的水上用电设备(如电动船、水下机器人等)提供能源补给，保证充电效率。为了确保海上充电平台的稳定性，还建立了二维绕流流场，对不同结构充电平台基座进行了分析。通过优化设计，最终确定此浮动式海洋能源转换充电平台的结构。【结果与结论】浮动式海洋能源转换充电平台可保证电能供给的稳定性，能够为海上的各种工程提供更加方便快捷的能源支持，有利于整个行业的快速发展。

关键词：
太阳能
波浪能
海上充电平台
结构优化
风能
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我国自2017年以来，提出了“建设海洋强国”“加快建设海洋强国”和“建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务”等战略部署，这意味着我国将把海洋作为发展重点[1-2]。海洋在可再生清洁能源方面拥有巨大潜力，在未来人类生活中将扮演重要角色。随着海洋牧场事业的推进，海上可再生能源还可广泛应用于海水淡化、提水、制氢等，可以为海水养殖场、海上气象浮标、石油平台、海上灯塔、孤岛等提供能源，前景广阔。为了建立水下电能补给站，为执行远洋任务的AUV(自主式水下航行器，Autonomous Underwater Vehicle)、UUV(无人水下航行器，Unmanned Underwater Vehicle)提供及时的能源补给[2]，本文设计了一款太阳能、风能、波浪能三位一体的浮动式海洋能源转换充电平台。此平台储能供能一体，可有效地将风能、太阳能、波浪能转换为电能进行存储，设置六个无线充电点，可同时为不同的水上用电设备(如电动船、水下机器人等)提供能源补给，保证充电效率[3]。

1、整体结构设计

此平台总体结构如图1所示，浮动式海洋能源转换充电平台由五兆瓦风机、太阳能光伏电板、设备舱、波浪能收集装置等组成。本设计以悬浮式五兆瓦风机平台为原型，考虑到海上情况的不确定性，在原有风电储能的基础上，采用光能和波浪能补给，以保证浮动式海洋能源转换充电平台电能供给的稳定性。

图1浮动式海洋能源转换充电平台

五兆瓦风力发电机用于收集海上风能。采用电磁储能，利用磁场将风力产生的电力转化为可供储存的电力，直接将风能产生的电力储存起来。风机的塔筒高为100 m，直径为10 m。根据五兆瓦风力发电机的额定效率计算确定叶轮直径(D)为100 m，叶片数量(Z)为3片。计算公式[4]如下：

其中，P为风力发电机的额定功率，ρ为空气密度，V为风速。通过此公式可以帮助确定叶轮的直径，以便在一定的空气密度和风速下获得所需的压力和效率。

设备舱如图2所示，立柱内从上往下布设有控制装置和储能装置。在设备舱上端做边长为57 m的正六边形延展面，表面铺设太阳能光伏电板，在太阳光照辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能输入并网逆变器，逆变成交流电供给用电负载[5]。将太阳能转化而来的电能储存在锂电池中。六面各设一个无线充电点，每个面均配有红外传感器，在有充电需求的航行器靠近时，红外传感器反馈信号给设备舱内的控制系统，接收到信号后，无线充电板沿着升降立柱降下，为航行器充电。设备舱下底面是波浪能收集装置，运用电磁感应原理将波浪能转化为电能。浮动式海洋能源转换充电平台使用能源转换装置将波浪的动能转换为机械能，再通过涡轮发电机和线性发电机将机械能转化为电能。最后再将电能储存在设备舱内的锂电池中。

图2设备舱

为保持风机的稳定，支撑平台内部采用正三角结构立柱，根据立柱间距与高度的比值为5∶2，确定了每根立柱间距为50～100 m，立柱直径为10～20 m，柱高为28 m。为保证充电平台整体结构的稳定性，本文对设备舱立柱间距对平台稳定性的影响进行了仿真模拟研究。

2、平台支柱绕流分析

三角形平台支柱是本次设计的浮动式海洋能源转换充电平台的重要组成结构，该结构的承载能力比较强且水动力性能稳定，文章将对其圆柱绕流情况进行分析，对平台支柱进行优化设计。

2.1 数学模型与计算模型

1)数学模型。

流体力学中，对于三维不可压缩流体的运动规律可以用连续方程和纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations)[6]描述。具体如下：

其中，ρ为流体密度；v为流体动力粘性系数；vi为流体速度分量；xi为坐标系分量；P为压强。

由于平台支撑结构为圆柱体，可以采用二维模型进行计算，考虑到流体为不可压缩流体，上述方程可以简化为：

2)计算模型。

计算用基本模型为三角形排布的多圆柱绕流[7]，文中采用2D模型，在圆柱直径不变的情况下改变间距l和布置角度，具体如图3所示。

图3平台支撑不同布置情况的2D模型

2.2 网格划分及边界条件

计算域采用长方形，设置来流方向为入口，尾部方向为出口，为保证来流充分运动，两侧边界均设为入口，支撑平台的表面设置为壁面。考虑到边界层的影响，在圆柱表面加密网格划分[8-9]，具体如图4所示。

2.3 结果分析

1)间距变化对平台支柱的影响。

支撑平台圆柱之间的距离l分别选取50 m、70 m和100 m三种进行计算。以2 m/s的流速为例，压力云图见图5，当距离为50 m时，支撑平台中四个圆柱上表面都出现高压区，下游并列的两个圆柱表面有较强的负压区，并且与中心的圆柱负压区连在一起。距离为70 m时，高压区主要出现在上游的圆柱和下游并列圆柱的上表面，中心压力位置变化不大。距离为100 m时，高压区主要出现在上游的圆柱表面和下游并列圆柱表面，负压区主要出现在下游并列圆柱的下表面。综上，从压力云图中可以看出不论l取值，平台尾部区域都会出现一定的负压区，但是不同的l取值，负压区和高压区的大小有所差异，间距100 m和50 m时的高压数值和负压数值都大于间距70 m时的结果，因此文中设计的平台支撑间距定为70 m。

图4网格划分图

2)不同布置形式对平台支柱的影响。

平台支撑圆柱间距确定后，再按照不同的排列方式进行仿真计算[10]，计算结果如图6所示。从压力云图中可以看出，支撑平台不同的排布形式也对其周围流场有影响，排列形式(a)中圆柱迎流表面的压强较大，尾部除圆柱A受到高压外，其余圆柱处于低压区。排列形式(b)中四个圆柱迎流表面所受高压区比排列形式(a)中大，排列形式(c)中前面三个圆柱形成较大的高压区，尾部低压区较小。综合以上结论可以看出排列形式(b)中下游圆柱所受阻力更大。所以在布置发电平台时尽量按照形式(a)进行。

图5间距不同时平台支撑的压力云图

图6不同布置形式时平台支撑的压力云图

3、结语

浮动式海上充电平台的推广应用能够缓解能源紧缺问题。相较于传统的化石能源和燃煤发电等能源转换方式，浮动式海洋能源转换充电平台可以更加完美地结合自然地理环境，充分利用自然生产力，大幅提高海洋能源的利用率。而且，这种电力的供应更加环保，有效减少了化石能源的污染，可以为全球能源消费的可持续发展提供坚实的保障。在海洋牧场、海上风电站等领域中，该平台也将会有广阔的发展空间。这种新型的平台能够为海上的各种工程提供更加方便快捷的能源支持，有利于整个行业的快速发展。

参考文献:

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基金资助:江苏省大学生创新创业训练项目“浮动式海洋能源转换仿生平台”(202312056005Z);南通理工学院2024届“优秀毕业设计(论文)培育计划”(BS202336);