喇叭型防波堤兼作波浪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)研究

楊志堅(jiān)++唐詩(shī)雨++王彬++向萌++葉加林

[摘 要]本文研究了一種喇叭型曲面的防波堤與振蕩水柱波浪發(fā)電裝置相結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)型式，它集合了沉箱防波堤與振蕩水柱波力發(fā)電裝置的共性特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成，除了能利用防波堤防浪、消浪，為港區(qū)提供良好的泊穩(wěn)條件外，還能利用獨(dú)特設(shè)計(jì)的收縮水道和喇叭型前墻與后墻曲面坡進(jìn)一步提高聚波能力，將入射波的波能大大增加。

[關(guān)鍵詞]沉箱防波堤；喇叭型前墻；收縮水道；氣室；波能轉(zhuǎn)換效率

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.16.052

[中圖分類(lèi)號(hào)]U656.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2017）16-00-02

1 研究背景

防波堤是為了阻斷波浪的沖擊力、圍護(hù)港池、維持水面平穩(wěn)，以保護(hù)港口免受壞天氣影響、以便船舶安全停泊和作業(yè)而修建的水中建筑物。我國(guó)海岸線(xiàn)綿長(zhǎng)，港口島嶼眾多，防波堤得到了廣泛應(yīng)用，另外，我國(guó)波浪能豐富，利用其發(fā)電的裝置眾多。傳統(tǒng)能源的消耗殆盡、有害氣體的排放造成的環(huán)境問(wèn)題，使新能源成為當(dāng)今世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的課題。我國(guó)的海域面積廣闊，海岸線(xiàn)曲折而綿長(zhǎng)，大陸海岸線(xiàn)長(zhǎng)約1.8萬(wàn)千米，海島海岸線(xiàn)長(zhǎng)約1.4萬(wàn)千米，其中，蘊(yùn)藏著豐富的波浪能，具有儲(chǔ)量大、污染小、再生性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，我國(guó)波浪能開(kāi)發(fā)利用的潛力巨大。

2 喇叭型防波堤兼作波浪發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)方案

由海軍實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果可知，氣室內(nèi)波面振幅與入射波高呈正線(xiàn)性關(guān)系，隨著入射波高的增大，沉箱氣室內(nèi)波高增加，波面振幅增大，波面振蕩程度力強(qiáng)，捕能效果越好。根據(jù)以上原理，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)出了喇叭型的防波堤兼作波浪發(fā)電裝置（見(jiàn)圖1）。為了提高波能轉(zhuǎn)化的效率，本文利用聚波原理，在氣室入口前方設(shè)計(jì)一道收縮水道，這樣一來(lái)，一方面喇叭型曲面前墻可以減少反射率，并且可以與收縮水道一起最大限度匯聚波浪，同時(shí)水位也在不斷上升，這可加大壓縮室內(nèi)上方的空氣，使壓強(qiáng)大大增加；另一方面，由于喇叭型的收縮水道和前墻的設(shè)計(jì)，由流體力學(xué)中的連續(xù)性方程可知，從氣室入口進(jìn)入的水體的流速增加，這可以增加氣室內(nèi)的水體在單位時(shí)間內(nèi)水位上升的高度，即水位上升的速度更快，同時(shí)由于曲面的光順性還可以在一定程度上減少漩渦的產(chǎn)生，從而減少沿程的能量損失。為提高防波堤的防浪性能，本文在堤面上連續(xù)設(shè)置方形鏤空式消波組塊。這個(gè)設(shè)計(jì)在有較大海浪時(shí)，一方面可以減小浪對(duì)防波堤的直接沖撞，減少波浪力，增加防波堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；另一方面可以有效消波、碎波，被碎波浪沿著傾斜堤面返回港外，提高防波堤的性能，使港內(nèi)始終保持平靜的狀態(tài)。

本作品可以很好地結(jié)合防波堤與振蕩水柱波力轉(zhuǎn)化裝置的共性特點(diǎn)，在波高相對(duì)較高時(shí)，可以防浪、消浪，阻斷波浪的沖擊力、圍護(hù)港池、維持水面平穩(wěn)，以保護(hù)港口免受壞天氣影響、以便船舶安全停泊和作業(yè)；在波高相對(duì)較低時(shí)，又可以匯聚波浪的能量，利用波浪能發(fā)電，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的喇叭形前墻曲面及收縮水道還能提高波能轉(zhuǎn)化效率。

圖1 喇叭型防波堤兼作波浪發(fā)電裝置整體原理圖

3 模型試驗(yàn)

本作品試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道中心進(jìn)行，通過(guò)不同的波高將傳統(tǒng)的垂直平面沉箱防波堤與本作品進(jìn)行對(duì)比，探討其轉(zhuǎn)化效率，以此驗(yàn)證本作品的可靠性，測(cè)得的具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本作品的發(fā)電效率較傳統(tǒng)的垂直平面型的防波堤兼作波浪發(fā)電裝置的發(fā)電效率要較高，轉(zhuǎn)化效率隨著波高的增加而增加，這也與文中提到的理論依據(jù)一致。

4 總結(jié)與展望

（1）我國(guó)海岸線(xiàn)綿長(zhǎng)，約1.8萬(wàn)千米，港區(qū)眾多，波浪能蘊(yùn)藏極為豐富，港口附近需修筑許多防波堤，保障船只安全運(yùn)輸和泊穩(wěn)，這為防波堤可用波浪能進(jìn)行發(fā)電提供了一定的可行性。

（2）波浪能是最清潔的可再生資源，它的開(kāi)發(fā)利用，將大大緩解礦物能源逐漸枯竭的危機(jī)，改善礦物能源燃燒破壞環(huán)境這一現(xiàn)狀。

（3）本作品既能防浪消浪，又能利用波浪能發(fā)電，且將振蕩氣室結(jié)構(gòu)設(shè)置在防波堤內(nèi)部，在保證防波堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，還能降低防波堤的建造成本，若能進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，將具有更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并具有很好的推廣前景。

（4）本作品的發(fā)電效率高，輸出功率較為穩(wěn)定，可并入電網(wǎng)，或者可將電能輸?shù)叫铍姵刂袃?chǔ)存起來(lái)，為港口附近的大功率設(shè)備直接供電，實(shí)用性較好。

（5）本作品的機(jī)械設(shè)備不與海水直接接觸，相比于其他型式的波浪發(fā)電裝置，其可減少海水帶來(lái)的腐蝕，維修周期短，費(fèi)用低，維修也較為方便，經(jīng)濟(jì)性較高。

（6）若將該裝置布置在一些孤立的海洋平臺(tái)或島礁周?chē)ㄈ缒虾ＶT島），既可防浪消浪，避免島礁受到海浪的沖刷破壞，又可發(fā)電，為島上的基礎(chǔ)設(shè)施供電，可大大降低人類(lèi)對(duì)石油等化學(xué)能源的依賴(lài)性，因此具有較廣的市場(chǎng)。

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