“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”與海堤建設(shè)結(jié)合的研究

徐國(guó)峰/淄博職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

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“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”與海堤建設(shè)結(jié)合的研究

徐國(guó)峰/淄博職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

【摘 要】本文首先介紹了波浪發(fā)電設(shè)備和海堤建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后提出了“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”與海堤建設(shè)結(jié)合的觀點(diǎn)，并進(jìn)行了具體的論證，最后對(duì)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及對(duì)南海的島嶼建設(shè)的預(yù)期作用做出了評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】波浪發(fā)電；“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”；海堤建設(shè)；“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”與海堤建設(shè)的結(jié)合

一、波浪發(fā)電設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）波浪發(fā)電技術(shù)

波浪發(fā)電是通過波浪能轉(zhuǎn)換裝置，先將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后再轉(zhuǎn)換成電能的過程。波浪能的轉(zhuǎn)換一般有三級(jí)。第一級(jí)為波浪能的收集，通常采用聚波和共振的方法把分散的波浪能聚集起來。第二級(jí)為中間轉(zhuǎn)換，即能量的傳遞過程，包括機(jī)械傳動(dòng)、低壓水力傳動(dòng)、高壓液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)等，使波浪能轉(zhuǎn)換為有用的機(jī)械能。第三級(jí)轉(zhuǎn)換，把機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。波浪發(fā)電要求輸入的能量穩(wěn)定，必須有一系列穩(wěn)速、穩(wěn)壓和蓄能等技術(shù)來保證，它同常規(guī)發(fā)電相比有特殊的要求。

（二）波浪發(fā)電設(shè)備的現(xiàn)狀

1.波浪發(fā)電設(shè)備的發(fā)展歷史。

1799年，法國(guó)的吉拉德父子，獲得了波浪能的首項(xiàng)專利。1965年，日本的益田善雄發(fā)明了導(dǎo)航燈浮標(biāo)用的氣輪機(jī)波浪能發(fā)電裝置，獲得推廣，成為首次商品化的波浪能發(fā)電裝置。挪威在卑爾根附近的奧依加登島建成了一座裝機(jī)容量為250KW的收縮斜坡聚焦波道式波浪能發(fā)電站和一座裝機(jī)容量為500KW的振蕩水柱氣動(dòng)式波浪能發(fā)電站，標(biāo)志著波浪能發(fā)電站實(shí)用化的開始。

2.波浪發(fā)電設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀。

據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，隨著技術(shù)進(jìn)步，美國(guó)首個(gè)獲得商業(yè)許可的并網(wǎng)波浪能發(fā)電裝置，日前已經(jīng)進(jìn)入了最后的測(cè)試階段。該裝置由海洋電力技術(shù)公司設(shè)計(jì)，獲得了美國(guó)聯(lián)邦政府的批準(zhǔn)，并網(wǎng)之后足以為1000戶家庭提供電力。

中科院廣州能源研究所承擔(dān)的一項(xiàng)國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（即863計(jì)劃）課題——“漂浮直驅(qū)式波浪能利用技術(shù)研究”，2013年通過科技部驗(yàn)收，標(biāo)志著這一項(xiàng)新型波浪能發(fā)電技術(shù)取得階段性成果。

當(dāng)今世界波力發(fā)電成本基本上接近于普通電價(jià)，出于競(jìng)爭(zhēng)，還應(yīng)繼續(xù)努力進(jìn)一步降低，主要是改進(jìn)設(shè)備。

二、海堤建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀及類型

（一）海堤建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀

近些年來，在海岸工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方法和技術(shù)方面均取得了很大發(fā)展，這主要?dú)w功于在海岸環(huán)境的科學(xué)認(rèn)知方面所取得的進(jìn)步。此外，對(duì)多學(xué)科交叉的需求、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的日益豐富以及較好的分析和預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了海岸工程技術(shù)進(jìn)步。在美國(guó)、荷蘭、英國(guó)和日本等國(guó)，結(jié)合最新技術(shù)進(jìn)展，按照綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)理念，已經(jīng)完成或正在修訂一些海堤防護(hù)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)導(dǎo)則或手冊(cè)。

我國(guó)在海浪方面的基礎(chǔ)研究相對(duì)西方國(guó)家比較薄弱，應(yīng)該適當(dāng)借鑒西方國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，并開展必要的試驗(yàn)予以補(bǔ)充。我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，但不同地區(qū)之間仍有一定差異，江浙一帶的海堤結(jié)構(gòu)形式以帶平臺(tái)斜坡式為主，消浪效果最好。

（二）海堤的結(jié)構(gòu)類型

海堤作為防浪建筑物，除承受波浪作用外，同時(shí)還要擋潮。海堤一般不允許越浪，其堤頂高度要求較高。按結(jié)構(gòu)形式海堤可分為斜坡式、陡墻式及混合式三種。確定選用形式時(shí)須考慮：堤身高度、風(fēng)浪強(qiáng)度、地基地質(zhì)、建材價(jià)格和施工條件等。

1.根據(jù)斷面結(jié)構(gòu)，斜坡式海堤分為護(hù)坡堤和土石混合海堤。

（1）護(hù)坡堤：以土堤為主，迎水面加干砌或漿砌塊石等輕型護(hù)坡的斜坡式海堤。

（2）土石混合海堤：由主石堤和防滲土體組成的斜坡式海堤。施工時(shí)先筑主石堤，要求能單獨(dú)抵御風(fēng)浪和潮流的破壞，后加土體用以擋潮防滲。

2.陡墻式海堤：由外坡坡度系數(shù)m≤0.4的陡墻或直墻的石堤構(gòu)成的海堤。

3.混合式海堤：迎水面防浪結(jié)構(gòu)由斜坡式和陡墻式組合而成的海堤。

（1）下部為砌石陡墻，上部為斜坡。陡墻頂設(shè)在設(shè)計(jì)高潮附近，頂部留一“平臺(tái)”，再接斜坡，這種形式可有效地減小波浪爬高，從而降低堤頂高度。因下部砌石陡墻須干施工，一般只能用于灘面高程較高的情況。

（2）下部為斜坡式砌石堤，上部為砌石陡墻。當(dāng)灘面高程低于小潮低潮位時(shí)，宜采用這種形式。斜坡式堆石堤堤頂宜高出平均低潮位，再砌筑陡墻?；旌鲜胶５痰姆览私Y(jié)構(gòu)后側(cè)仍需填筑防滲土體。

4.基于整體穩(wěn)定和坡面防護(hù)的需要，我國(guó)海堤外坡一般沒有拋石鎮(zhèn)壓層。

三、探討“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”與海堤建設(shè)結(jié)合的可行性

（一）“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”的介紹

本文采用“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”的發(fā)明專利來進(jìn)行探討（專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910019019.X）。

“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”屬于波浪能發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域，是一種將波浪能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電設(shè)備。它要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用波浪前后往返的推動(dòng)力作用，將雙向動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)電效率高，使用范圍廣。“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”的工作原理：利用波浪向前與向后的沖刷力，使波浪動(dòng)力板來回運(yùn)動(dòng)，從而通過連接桿帶動(dòng)換向變速箱的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。換向變速箱把兩個(gè)方向相反的力量轉(zhuǎn)換成連續(xù)不間斷的一個(gè)方向的力量，并且進(jìn)行變速，使換向變速箱的輸出轉(zhuǎn)速加快，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

（二）施工上的可行性

1.海堤上安裝“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”的要求。

安裝時(shí)，把支撐架固定在底座上。支撐架要用“槽鋼”來進(jìn)行制作，這樣比較堅(jiān)固，能傳遞較大的力量。底座是安裝在海堤的墻體里，用8～10根實(shí)心的圓鋼（直徑100mm，長(zhǎng)3m）垂直鑲嵌在海堤上，露出半米高度，以便安裝支撐架。

支撐架上安裝換向變速箱和發(fā)電機(jī)，波浪動(dòng)力板通過連接桿連接到換向變速箱上。波浪動(dòng)力板離海堤的距離，是連接桿加上波浪動(dòng)力板長(zhǎng)度的2倍，確保動(dòng)力板不會(huì)碰到海堤。

2.海堤上安裝發(fā)電設(shè)備的難度。

首先要確定海堤邊緣與動(dòng)力板的距離，太遠(yuǎn)會(huì)延長(zhǎng)支撐架的長(zhǎng)度，增加制作成本；太近又會(huì)增加碰撞海堤的危險(xiǎn)。其次要考慮發(fā)電機(jī)安裝時(shí)的防水、防潮問題。發(fā)電機(jī)的防水、防潮做不好，會(huì)影響正常的發(fā)電和發(fā)電機(jī)的使用壽命，也會(huì)增加成本。

（三）“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”與海堤建設(shè)結(jié)合后的效果

1.結(jié)合后，海堤的防海浪作用。

海堤在不加“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”時(shí)，是完全靠海堤墻上的石塊或混凝土結(jié)構(gòu)來抵擋海浪的沖擊。這時(shí)候，海浪的沖擊力有多少噸，作用到整個(gè)海堤墻面上的沖擊力就有多少噸，沒有緩沖。

海堤在加上“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”時(shí)，是靠海堤和動(dòng)力板共同來抵擋海浪的沖擊。先是動(dòng)力板阻擋海浪，吸收一部分沖擊力，然后海堤墻再阻擋海浪的另一部分沖擊力。這時(shí)候，海浪經(jīng)過動(dòng)力板的阻擋后，沖擊力變小，作用到海堤墻上的沖擊力就小了，動(dòng)力板起到了緩沖作用。

2.結(jié)合后，發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效果。

“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”在海堤上安裝，達(dá)到要求后，發(fā)電效果會(huì)很好。海水在沒有潮汐的時(shí)候，“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”處在正常的發(fā)電狀態(tài)中；漲潮時(shí)，發(fā)電設(shè)備會(huì)超常態(tài)發(fā)電；退潮時(shí)，發(fā)電設(shè)備也會(huì)超常態(tài)發(fā)電，但比漲潮時(shí)的小。

（四）評(píng)價(jià)

綜合前三項(xiàng)的內(nèi)容，我們可以看到在海堤上建設(shè)和安裝“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”能起到很好的防海浪和發(fā)電效果，是一項(xiàng)環(huán)保、可行的海堤建設(shè)方案。這種海堤建設(shè)方案在島嶼的堤岸建設(shè)及圍海建造的島嶼上，特別適用。建議通過實(shí)驗(yàn)取得關(guān)鍵數(shù)據(jù)后，加以推廣。

四、“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”與海堤建設(shè)結(jié)合后的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

（一）發(fā)電的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”發(fā)出的電量存儲(chǔ)在儲(chǔ)電設(shè)備中，可滿足多種用電需求。首先，能滿足道路的路燈用電和生活中的照明用電需求。路燈和生活照明的用電量相對(duì)要小一些，比較好解決；其次，發(fā)電量達(dá)到一定規(guī)模后，還能解決家用電器的用電需求。

（二）海堤維護(hù)成本的降低

海浪的沖擊是危及海堤安全的主要因素。海堤常年受到劇烈的沖擊，容易對(duì)海堤主體結(jié)構(gòu)造成損壞?！扮姅[式波浪發(fā)電設(shè)備”的動(dòng)力板在吸收海浪沖擊力進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，能有效抵消海浪的沖擊力，減少海堤主體結(jié)構(gòu)的損壞。這樣海堤損壞的地方少了，維修的次數(shù)、面積也少了，因此，維護(hù)的成本就隨之降低了。

綜合以上四方面的論述，“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”與海堤建設(shè)結(jié)合是可行的，是能產(chǎn)生好的經(jīng)濟(jì)效果，對(duì)海防建設(shè)是有好的作用的，尤其對(duì)南海的圍海建島是有幫助的。

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[4]徐國(guó)峰，鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備，發(fā)明專利，2012年.

作者簡(jiǎn)介：徐國(guó)峰（1974—02），男，山東淄博人，淄博職業(yè)學(xué)院教師。