海上风机浮动式光伏水产养殖网箱

摘要：本作品通过设计一种全新的海上节能环保型网箱养殖装置，通过将早先就存在的两种海工装置有机结合（海上网箱养殖以及大型海工发电平台）；达到节能和环保的功效，相比于一般的网箱养殖，我方的优势在于：能量的自给、远洋化、以及可再生燃料代替化石燃料等。

关键词：网箱养殖；太阳能电池方针；远海养殖；自动调控；鱼光互补

1简介

平台风力发电系统主要通过将风能转化为机械能，然后再将机械能转化为电能储存在装置内部蓄电池中。太阳能供电系统主要有太阳能板和转向装置组成，安装在装置水面以上部位的追日太阳能方阵接受太阳光的照射产生直流电，直流电通过导电线输入控制器进行调整，接着输入逆变器转换成交流电供应安装在平台的用电设备。利用此装置的自给特性实现以前未曾达到的远洋特性，远海养殖避免了近海网箱养殖的集群性弊端，进而能够有效降低过度养殖造成的厌氧藻类以及水母等生物的增值，此外对于恢复近海水生环境有积极促进作用。装置使用清洁绿色能源，在降低碳排放的同时，智能化的控制也减少因投放饲料对养殖海域的大规模污染；稳定的结构强度使得养殖网箱的使用寿命至少可以达到20年，能够有效降低资金回笼问题的风险。本作品设计方案通过在发电装置内设立风机塔架升降舱室，从而给风力发电机塔架提供有效的危机预防措施：伸缩式的塔架通过岸上的远程控制，根据天气预警的情报调控风机塔架的上下伸缩高度，通过合理的高度变化，进而改变风机迎风力矩，最大限度避免力矩过大而造成超过临界应力的情况。光伏发电装置和养殖网箱装置分别安装在装置的水面上下方，光伏电板、风机发电与网箱养殖形成了渔光互补模式，进而有效降低发电装置和养殖网箱装置的建设成本。

2设计背景

面对人口增长趋势越发严峻的现状，特别是我国，单位人口的土地占有率几乎可以算作为达到预警状态。21世纪，不可避免的，如何可持续的索取海洋资源、发展海洋经济已经成为我国摆在桌面上的事情。而其中作为海洋经济的重要组成部分的海洋渔业，由古到今，都为世界食品供应做出重要贡献。但由于工业革命以来的机械化作业，过度捕捞与排放都使世界范围内的渔业资源开始持续性的衰退。因此实现海洋渔业资源的可持续性问题已经成为摆在台面上的重大命题。我国的海洋养殖技术普遍较低，大量养殖网箱集中在近海港湾内（渤海湾）；养殖密度远远超过环境承载量。网箱的高度集中必然会降低区域内的含氧量，因而，厌氧藻类和水母等厌氧生物便会大量繁殖，给区域环境造成不可逆的伤害；同样这也增加了供氧装置的经济成本。因此，我们可以得到一个结论：海产养殖必然会由近海集群化转向远洋网箱。在2017年9月11日，由武船重工集团海工研究院进行工程设计和总包建造的世界首座、规模最大深海半潜式智能养殖场“海洋渔场1号”，于挪威当地时间9月11日16时58分顺利在挪威弗鲁湾完成卸货。挪威海上养鱼平台（海洋渔场1号）是世界首座、规模最大的半潜式深海“渔场”，是集挪威先进养殖技术、现代化环保养殖理念和世界顶端海工设计于一身、现代化全自动的深海养殖装备。“深蓝1号”箱体周长180米，高度30米，有效养殖水体5万立方米，建成后可养殖鲑鳟鱼类30万尾，产量1500吨。该网箱为钢结构，可根据养殖海区水层温度的季节性变化进行升降调节，从而提高养殖水体利用效率并为养殖鱼类提供最佳的环境条件。本文通过对比分析以往的区域海产养殖和大型海工设备的弊端，结合现代化的养殖模式和海工设备，在维持网箱鱼群的正常生长同时，尽可能降低有关养殖装置的碳排放，减少海工设备对燃油等不可再生资源的需求，进而解决目前海洋渔业养殖存在的弊端。并且通过海工设备的机械化优势，做到鱼群大规模养殖的同时，实现在绿色能源提供下的海水养殖无污染、零排放、纯生态的养殖模式，建立起一系列海上资源循环利用的生态渔业养殖模式。除此之外，本文将现存的海洋绿色发电船业与大型网箱养殖装备结合起来，在基本保障网箱养殖的能源消耗的同时，也减少了化石燃料运输造成的资金浪费。自给化也为远洋养殖提供基础。同时设备的远程遥控以及本部分智能化也减少了人工成本开支，极大的避免了人员操作的风险。因此，装备的建成不仅带来了可观的经济效益，同样在安全性上也是无可比拟。

3养殖网箱设计方案

本装置是一种结合海上风机的浮动式光伏发电水产养殖复合装置。所述风力发电装置包括风机主体和支撑结构，所述其余装置还包括升降塔架、光伏发电装置和养殖网箱装置，升降塔架结构滑动连接支撑结构，光伏发电装置设置于平台结构上方，养殖网箱装置设置于浮筒结构下方。本作品的设计方案通过在风力发电机的支撑结构上设置滑动伸缩塔架，可以提高结构强度；光伏发电装置和养殖网箱装置分别安装在浮筒的上下侧，光伏电板装置和养殖网箱装置形成渔光互补，可以有效降低光伏发电装置和养殖网箱装置建设成本。浮筒和支撑结构的滑动连接方式，可以使浮筒可随着海水水位变化上下自由移动，可以在海面升降和海浪冲击时一定程度上防止光伏发电装置和养殖网箱装置受损。光伏所发电能一部分用于为养殖系统的自动投食装置供电，另一部分与风力发电机产生的电能共同并入平台蓄电池中。

3.1发电装置一体化平台设计

发电装置平台内部由可滑动升降式塔架、三浮体式平台、内部舱室如：轴系转换舱、变电设备舱、蓄电池舱、压载舱等组成。且中央控制室作为接受指令、传达指令的中枢成为整个养殖装置的“核心”。发电平台设计根据三浮体式平台具有在相同设施下排水量小、结构强度大、稳定性较好的特点，在三处浮筒内部设有风机专用的塔架升降舱室，从而给风机塔架提供足够的抗弯强度储备。在海上遇到恶劣气象时，岸基会通过卫星将塔架伸缩信号传输给设备主控室，主控室控制升降平台降低高度，通过降低迎风力矩的力臂来降低力矩；此外风机叶片还配有类似飞机架的死角卡死装置，将叶片固定，保障在恶劣气象条件下，整个网箱装置的稳定性。平台风机电源系统则采用的风光互补方式，主要由风力发电机、蓄电池、系统控制器组成，同时鉴于海洋台站维护难的问题，该系统研发的监控模块，可以实时监测系统运行情况，实时反馈蓄电池、负载电压及有关参数，工作人员在远程可以做到反向操作。

3.2平台上层建筑的节能设计

光伏发电装置包括光伏支架、光伏发电板和升降立柱，所述光伏支架通过若干升降立柱设置于平台结构上，所述光伏发电板安装于光伏支架。光伏发电板接收太阳能进行发电，光伏支架用于安装光伏发电板，增强结构强度。升降立柱使得光伏发电板和浮筒之间的垂直距离可根据情况调节，在需要打捞养殖网箱装置中养殖产品时可调整立柱的高度以方便作业，在其余时间光伏电板高度略高于海洋波浪高度，以避免波浪直接拍击光伏板，防止光伏板受荷破坏。三浮体平台上层主要有信号收发装置、各种电子仪器。基地平台上建有的信号收发装置，可实现网箱装置与岸基的信息互通有无，实时信息交互也提高了装置的可靠性，最终实现远海养殖智能化、无人化。在太阳光普照广阔的海洋，安装在海上平台上的追日转向的太阳能电池方阵接受阳光的照射产生直流电，直流电通过导电线输入控制器进行调整，接着输入逆变器转换成交流电供应安装在养殖网箱上的蓄电池，满足海上装置夜间作业照明和全天生产作业用电的需要；直流电经过控制器的调整后，也可以输入内部备用锂离子电池贮存备用。随着技术的进步，依附养殖网箱的太阳能电池方阵面积可以扩大、光电转换效率亦可不断提高，便能够提供更多的电力以供设备的多样化操作。太阳能电源系统主要由太阳能电池板组成，并且太阳能转换成电能只有夜间无法工作的局限性。单晶硅太阳能板适用于近海的“非理想”气候（多雨、多雾霾），可以高效率转换能量，光电转换效率最高达24%，可以最大限度将光能转换成电能；采用光滑玻璃及防水树脂进行封装，坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。所述装置还包括电力系统，所述电力系统包括防水电池、光伏电缆、风机电缆、防护管和海底总缆。防水电池安装于伸缩塔架结构，防水电池连接光伏发电装置，由光伏发电装置供电；风机电缆连接风机主体，光伏电缆连接光伏发电装置，防护管沿单柱侧面设置，风机电缆和光伏电缆则穿过防护管连接平台总缆。

3.3水下多功能绿色网箱设计

养殖网箱采用蜂窝形上下围网式构造，舱壁上的各种水文监测器将水文信息与岸基实时交互，提高了渔业养殖的可靠性。网箱的蜂窝形结构，通过桁架与三浮体平台连接，组成一个封闭的整体，网蜂窝形结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构，具有优秀的几何力学特性，强度和刚度比同排水量的其他结构优秀许多，费料少，性能优异。根据全球洋流的累计资料，实时的将养殖网箱运输到适宜位置海域，并通过水文监测器做出判断、岸基做出预估，保证水文信息适宜鱼群生存。智能灯光调节系统，据最新研究表明，由灯光所影响的褪黑激素会造成鱼类和人类的等脊椎动物的昼夜节律发生变化。（褪黑激素的降低可能导致免疫防御、生长和繁殖功能出现问题）养殖网箱内部安装智能灯光系统，解决因上层建筑遮挡而造成的光源不足问题，保证鱼群生长环境，进而保证养殖品质。因此，本作品设计具有如下有益效果：（1）光伏发电装置和养殖网箱装置可随海面自由上下，抵御一定程度的海浪，保证结构安全稳定。（2）光伏发电板相对平台高度可调节，避免波浪直接拍击光伏板，同时方便养殖网箱装置内海产品打捞作业。（3）水文信息的实时交互、智能灯光调节系统，极大的提高了对于鱼群生长环境的可靠性，进而保证养殖的品质、经济的收益。

4现有理论技术与数据分析

随着我国国民生活水平的逐步升高，人民群众对于食品的要求也从温饱到可口，再到营养层面。水产一直是我国餐桌上不可分割的一部分，其中的高档海产更是好面子的中国人追求的首选之列。国人对高档水产蛋白在饮食中的比重逐步提升，人均消费量近年来也是逐步提升，高居不下。近年来，国家不断强调环保和可持续发展的重要性，金山银山不如青山绿水，相关环保政策的不断出台，加上海生养殖业的不断发展，养殖理念和养殖方式正处在一个历史的转折点，加上2020年又是中央扶贫政策攻关的一年，在大环境的影响下，传统捕捞业的衰退已经成为必然；而近海养殖业由于环保政策的不断推出，衰退也是一叶知秋，因此，远洋养殖产业的盛行于世指日可待。

5养殖规范化

5.1水文信息的检测

通过国家日益完善的水文监测系统，以及日益完备的洋流信息储备，能够保证鱼群拥有可靠的生长环境。

5.2鱼群养殖实时监测

利用多种水质检测仪、高分辨的水下分辨系统检测内部生长情况，并汇报于岸基，岸基壳实时对内部环境进行护理。

5.3规章制度的建立

形成一套合理的规范是所有分析、处理的最终目标。洋流分析、预估；水文、水质监测；鱼群生长检测等，这一系列信息岸基应形成一套有序的分析机制，最佳情况是：根据这些信息的特点制作一套分析软件、规章制度。

6结束语

远洋网箱养殖遵守鱼群生长的自然规律，水产品质量得到保证。作为一种新型的海洋养殖方式，其未来市场前景广大，它将原有的近海养殖的各种弊端予以消除，并向高度智能化、远程化发展。远海养殖正遇到历史发展的好时机，2020年，国家扶贫攻坚政策的逐步实施，环保政策的逐步开展，必然会导致竞争产业的衰退。在大型远洋养殖过程中，我国船舶于海洋专业必然面临一系列的重大挑战，但同时也会给本行业带来新的机遇。

参考文献：

[1]杨雪旗，章国宝，黄永明顿，等.风光互补海水淡化系统安全性评估方法研究[J].工业控制计算机，2019，32（5）：53-55.

[2]程友良，薛占璞，李占岭，等.海上半潜式风力发电塔基础的水动力学特性分析[J].船海工程，2016，45（5）：151-156.

[3]何皛磊.“深海网箱”的应用前景[J].船舶，2018（02）：7-12.

[4]深远海智能化渔业养殖平台———“海洋渔场1号”[J].太平洋学报，2018（03）：11-11.

[5]中投投资咨询网.2019-2023年中国海洋渔业深度调研及投资前景预测报告[R].中投产业研究院，2019.

作者：王亚飞 孙刚 王钧樟 张鑫 朱涛 单位：江苏科技大学苏州理工学院