防波堤中波浪能利用裝置的研究

摘 要：防波堤是海島開發(fā)的必要設(shè)施，采用模塊化的防波堤，把振蕩水柱式波能裝置和擺式波能裝置集成在防波堤中，做成模塊，在阻斷波浪的沖擊力、圍護港灣的同時，充分利用波浪能為海島碼頭提供能源和淡水供應，有效降低海島開發(fā)成本，促進海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：防波堤；噴氣堤；振蕩水柱式；擺式；模塊化

前言

在我國海域中，有1.8萬公里的海岸線，分布著6500多個500平方米以上的海島，它們在海洋開發(fā)和國防建設(shè)方面占有重要地位，能源和淡水是海洋資源開發(fā)和海防建設(shè)活動的基本需求，開發(fā)島嶼特別是遠離大陸的島嶼，能源供應受制于運輸和天氣，其供應成本關(guān)系到海洋資源開發(fā)的成本，因而也就直接影響到海洋資源開發(fā)的能力，因此，把海岸設(shè)施與波能利用結(jié)合起來，可以有效降低使用成本，是海岸和海島建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展道路。

1 防波堤

防波堤的修建是為阻斷波浪的沖擊力、圍護港池、維持水面平穩(wěn)以保護港口免受壞天氣影響、以便船舶安全停泊和作業(yè)，防波堤還可起到防止港池淤積和波浪沖蝕岸線的作用。它是人工掩護的沿海港口的重要組成部分。防波堤常由一、二道與岸連接的突堤或不連接的島堤組成，或由突堤和島堤共同組成。輕型防波堤是近數(shù)十年來發(fā)展起來的，根據(jù)波能集中于表層的特點，結(jié)合工程的特殊需要而研究出來的各種輕型防波堤，如透空堤、浮堤、噴氣堤和射水堤等。噴氣堤是利用空壓機，通過安置在水底的有孔管道噴排氣泡，形成氣幕和兩側(cè)的環(huán)流，阻礙并消減波浪的裝置。噴氣堤耗電量大，目前適用于施工、維修等臨時性工程。

2 波能轉(zhuǎn)換裝置

波浪所蘊涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，對波能發(fā)電系統(tǒng)的分類，按照工作原理，如振蕩水柱、振蕩浮子、聚波越浪式、鉸接擺式等；按照安裝類型分為固定式（海底固定，岸基固定），漂浮式（需要錨泊系統(tǒng)），按照安裝地點又分為靠岸式、近岸式及離岸式等。

振蕩水柱式波能裝置是最早出現(xiàn)的類型之一，這種類型的波能裝置主要以靠岸固定式為主，主要組成部分為伸入水下的水泥混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)水室（圖3），水室在迎浪面前端開口，水室上部為連通的空氣室，空氣室出口處安裝有渦輪發(fā)電機。波浪作用下，水室中的波面推動上部的空氣運動，進而產(chǎn)生驅(qū)動空氣渦輪轉(zhuǎn)動的氣流，帶動發(fā)電機發(fā)電。廣州能源研究所在汕尾遮浪鎮(zhèn)研建了100千瓦岸式振蕩水柱電站（圖1）。

擺式波能轉(zhuǎn)換裝置是通過鉸接擺板吸收波浪能，其中擺板分別稱為浮力擺和重力擺。擺板一端一般是通過液壓裝置轉(zhuǎn)換成壓力能，進而驅(qū)動液壓馬達，液壓馬達驅(qū)動發(fā)電機的模式進行的。國家海洋局海洋技術(shù)研究所在青島大管島研建了30千瓦重力擺波能發(fā)電裝置（圖2）。

3 波能轉(zhuǎn)換特點與對策

波浪能具有能量多變、不穩(wěn)定性、利用效率低以及投入成本高的諸多問題。中國海岸大部分的年平均波浪功率密度為每平米2～7千瓦，而臺風導致的巨浪，其功率密度可達每米迎波面數(shù)千千瓦。強臺風發(fā)生常伴有大暴雨、大海潮、大海嘯，靠岸式發(fā)電裝置容易在臺風中損毀。惡劣的海洋環(huán)境會導致波能裝置的巨大響應，并對結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的安全和性能造成威脅和破壞，其中把不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定、可控、獨立的電能是很關(guān)鍵的問題。因此除了裝置本身的結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性滿足要求外，還要提出對策，提高系統(tǒng)的安全性能。

振蕩水柱式波能轉(zhuǎn)換裝置（圖1）因為防止大浪的沖擊一般修建的較高；重力擺式波能裝置（圖2）受潮汐影響較大，為了收集能量，需設(shè)置收集水道，這都明顯的改變了海岸線，一定程度破壞了自然和諧性，因此設(shè)計更合理的岸式波能利用裝置勢在必行。

4 模塊化防波堤設(shè)計

改變傳統(tǒng)的防波堤設(shè)計，防波堤位于抗臺前沿，是最堅固的防線，需要大量的混凝土固定塊。利用工廠混凝土預制技術(shù)，把防波堤固定塊改造成具備多種功能的模塊，模塊化防波堤可以根據(jù)需要由振蕩水柱式波能裝置模塊（圖3）、可翻轉(zhuǎn)擺式波能裝置模塊（圖4）、防巨浪波能綜合裝置模塊（圖5）以及混凝土固定塊。其中振蕩水柱式波能裝置模塊在波浪入射波的作用下，氣室內(nèi)的水柱受激振蕩，推動其上方的空氣往復地通過渦輪機，將振蕩水柱的能量轉(zhuǎn)換成渦輪機的機械能，采用單向渦輪耦合發(fā)電機，省略了整流電路?？煞D(zhuǎn)擺式波能裝置中，重力擺固定在可翻轉(zhuǎn)基座上，重力擺工作時置于水中，維護時可以用吊車吊起基座，反轉(zhuǎn)上岸方便維修。液壓缸把吸收到波浪能傳遞給液壓系統(tǒng)帶動發(fā)電機發(fā)電或驅(qū)動海水淡化裝置工作。

防巨浪波能裝置通過振蕩水柱壓縮空氣進入輸氣管，輸氣管設(shè)兩道單向閥（圖中單向閥2），防止空氣回流，壓縮空氣被送到防波堤前合適的距離噴出，形成一道氣泡墻，改變水流方向，對巨浪產(chǎn)生衰減作用，單向閥1只允許空氣進入氣室，在振蕩水柱下落時打開，空氣進入帶動單向渦輪發(fā)電機工作。噴氣堤的引入，可以全方位的保護港灣碼頭，設(shè)置在防波堤口門位置，可以解決防大浪死角問題，利于灣內(nèi)水體交換，是實現(xiàn)生態(tài)發(fā)展的可靠保障。鑲嵌式的防波堤模塊，防臺風模塊，可以實現(xiàn)港灣與海岸自然協(xié)調(diào)發(fā)展，能防大浪，并實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換利用，是真正的生命之堤，是建設(shè)海島，開發(fā)海岸的重要設(shè)施。

5 結(jié)束語

模塊化防波堤的設(shè)計，綜合考慮了港口需要，大浪條件下的波能轉(zhuǎn)化，把防浪基本功能與能量轉(zhuǎn)化附加功能結(jié)合起來。在可居住海島開發(fā)中，模塊化防波堤防浪、提供能源、提供淡水，起到生命之堤的作用，在海洋工程建設(shè)中必將會得到廣泛應用。

此論文是作者在2015-2016年度中國石油大學（華東）訪學期間研究完成。

參考文獻

[1]麻志雄.透空式防波堤消波性能試驗研究[J].水運工程，1990（10）：1-6.

[2] 耀保.海洋波浪能綜合利用——發(fā)電原理與裝置[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2013.