海上風(fēng)機浮動式光伏水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱

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摘要：本作品通過設(shè)計一種全新的海上節(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

1簡介

平臺風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要通過將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，然后再將機械能轉(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，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。本作品設(shè)計方案通過在發(fā)電裝置內(nèi)設(shè)立風(fēng)機塔架升降艙室，從而給風(fēng)力發(fā)電機塔架提供有效的危機預(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)警的情報調(diào)控風(fēng)機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)機發(fā)電與網(wǎng)箱養(yǎng)殖形成了漁光互補模式，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)濟成本。因此，我們可以得到一個結(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，由武船重工集團海工研究院進(jìn)行工程設(shè)計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間9月11日16時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?！皾O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)計于一身、現(xiàn)代化全自動的深海養(yǎng)殖裝備?！吧钏{(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，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)備的機械化優(yōu)勢，做到魚群大規(guī)模養(yǎng)殖的同時，實現(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，也減少了化石燃料運輸造成的資金浪費。自給化也為遠(yuǎn)洋養(yǎng)殖提供基礎(chǔ)。同時設(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。因此，裝備的建成不僅帶來了可觀的經(jīng)濟效益，同樣在安全性上也是無可比擬。

3養(yǎng)殖網(wǎng)箱設(shè)計方案

本裝置是一種結(jié)合海上風(fēng)機的浮動式光伏發(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)計方案通過在風(fēng)力發(fā)電機的支撐結(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，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

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養(yǎng)殖裝置的“核心”。發(fā)電平臺設(shè)計根據(jù)三浮體式平臺具有在相同設(shè)施下排水量小、結(jié)構(gòu)強度大、穩(wěn)定性較好的特點，在三處浮筒內(nèi)部設(shè)有風(fēng)機專用的塔架升降艙室，從而給風(fēng)機塔架提供足夠的抗彎強度儲備。在海上遇到惡劣氣象時，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)機葉片還配有類似飛機架的死角卡死裝置，將葉片固定，保障在惡劣氣象條件下，整個網(wǎng)箱裝置的穩(wěn)定性。平臺風(fēng)機電源系統(tǒng)則采用的風(fēng)光互補方式，主要由風(fēng)力發(fā)電機、蓄電池、系統(tǒng)控制器組成，同時鑒于海洋臺站維護難的問題，該系統(tǒng)研發(fā)的監(jiān)控模塊，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)運行情況，實時反饋蓄電池、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

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，增強結(jié)構(gòu)強度。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)品時可調(diào)整立柱的高度以方便作業(yè)，在其余時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?；仄脚_上建有的信號收發(fā)裝置，可實現(xiàn)網(wǎng)箱裝置與岸基的信息互通有無，實時信息交互也提高了裝置的可靠性，最終實現(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)機電纜、防護管和海底總纜。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)機電纜連接風(fēng)機主體，光伏電纜連接光伏發(fā)電裝置，防護管沿單柱側(cè)面設(shè)置，風(fēng)機電纜和光伏電纜則穿過防護管連接平臺總纜。

3.3水下多功能綠色網(wǎng)箱設(shè)計

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時交互，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，強度和剛度比同排水量的其他結(jié)構(gòu)優(yōu)秀許多，費料少，性能優(yōu)異。根據(jù)全球洋流的累計資料，實時的將養(yǎng)殖網(wǎng)箱運輸?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）水文信息的實時交互、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，人均消費量近年來也是逐步提升，高居不下。近年來，國家不斷強調(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)殖方式正處在一個歷史的轉(zhuǎn)折點，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)殖實時監(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，并匯報于岸基，岸基殼實時對內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行護理。

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制，最佳情況是：根據(jù)這些信息的特點制作一套分析軟件、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)展的好時機，2020年，國家扶貧攻堅政策的逐步實施，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)，但同時也會給本行業(yè)帶來新的機遇。

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作者：王亞飛 孫剛 王鈞樟 張鑫 朱濤 單位：江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院