防波堤中波浪能利用装置的研究

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摘 要：防波堤是海岛开发的必要设施，采用模块化的防波堤，把振荡水柱式波能装置和摆式波能装置集成在防波堤中，做成模块，在阻断波浪的冲击力、围护港湾的同时，充分利用波浪能为海岛码头提供能源和淡水供应，有效降低海岛开发成本，促进海洋产业发展。

关键词：防波堤；喷气堤；振荡水柱式；摆式；模块化

前言

在我国海域中，有1.8万公里的海岸线，分布着6500多个500平方米以上的海岛，它们在海洋开发和国防建设方面占有重要地位，能源和淡水是海洋资源开发和海防建设活动的基本需求，开发岛屿特别是远离大陆的岛屿，能源供应受制于运输和天气，其供应成本关系到海洋资源开发的成本，因而也就直接影响到海洋资源开发的能力，因此，把海岸设施与波能利用结合起来，可以有效降低使用成本，是海岸和海岛建设的可持续发展道路。

1 防波堤

防波堤的修建是为阻断波浪的冲击力、围护港池、维持水面平稳以保护港口免受坏天气影响、以便船舶安全停泊和作业，防波堤还可起到防止港池淤积和波浪冲蚀岸线的作用。它是人工掩护的沿海港口的重要组成部分。防波堤常由一、二道与岸连接的突堤或不连接的岛堤组成，或由突堤和岛堤共同组成。轻型防波堤是近数十年来发展起来的，根据波能集中于表层的特点，结合工程的特殊需要而研究出来的各种轻型防波堤，如透空堤、浮堤、喷气堤和射水堤等。喷气堤是利用空压机，通过安置在水底的有孔管道喷排气泡，形成气幕和两侧的环流，阻碍并消减波浪的装置。喷气堤耗电量大，目前适用于施工、维修等临时性工程。

2 波能转换装置

波浪所蕴涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，对波能发电系统的分类，按照工作原理，如振荡水柱、振荡浮子、聚波越浪式、铰接摆式等；按照安装类型分为固定式（海底固定，岸基固定），漂浮式（需要锚泊系统），按照安装地点又分为靠岸式、近岸式及离岸式等。

振荡水柱式波能装置是最早出现的类型之一，这种类型的波能装置主要以靠岸固定式为主，主要组成部分为伸入水下的水泥混凝土结构或钢结构水室（图3），水室在迎浪面前端开口，水室上部为连通的空气室，空气室出口处安装有涡轮发电机。波浪作用下，水室中的波面推动上部的空气运动，进而产生驱动空气涡轮转动的气流，带动发电机发电。广州能源研究所在汕尾遮浪镇研建了100千瓦岸式振荡水柱电站（图1）。

摆式波能转换装置是通过铰接摆板吸收波浪能，其中摆板分别称为浮力摆和重力摆。摆板一端一般是通过液压装置转换成压力能，进而驱动液压马达，液压马达驱动发电机的模式进行的。国家海洋局海洋技术研究所在青岛大管岛研建了30千瓦重力摆波能发电装置（图2）。

3 波能转换特点与对策

波浪能具有能量多变、不稳定性、利用效率低以及投入成本高的诸多问题。中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为每平米2～7千瓦，而台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千千瓦。强台风发生常伴有大暴雨、大海潮、大海啸，靠岸式发电装置容易在台风中损毁。恶劣的海洋环境会导致波能装置的巨大响应，并对结构各构件的安全和性能造成威胁和破坏，其中把不稳定的波浪能转换为稳定、可控、独立的电能是很关键的问题。因此除了装置本身的结构强度、刚度和稳定性满足要求外，还要提出对策，提高系统的安全性能。

振荡水柱式波能转换装置（图1）因为防止大浪的冲击一般修建的较高；重力摆式波能装置（图2）受潮汐影响较大，为了收集能量，需设置收集水道，这都明显的改变了海岸线，一定程度破坏了自然和谐性，因此设计更合理的岸式波能利用装置势在必行。

4 模块化防波堤设计

改变传统的防波堤设计，防波堤位于抗台前沿，是最坚固的防线，需要大量的混凝土固定块。利用工厂混凝土预制技术，把防波堤固定块改造成具备多种功能的模块，模块化防波堤可以根据需要由振荡水柱式波能装置模块（图3）、可翻转摆式波能装置模块（图4）、防巨浪波能综合装置模块（图5）以及混凝土固定块。其中振荡水柱式波能装置模块在波浪入射波的作用下，气室内的水柱受激振荡，推动其上方的空气往复地通过涡轮机，将振荡水柱的能量转换成涡轮机的机械能，采用单向涡轮耦合发电机，省略了整流电路。可翻转摆式波能装置中，重力摆固定在可翻转基座上，重力摆工作时置于水中，维护时可以用吊车吊起基座，反转上岸方便维修。液压缸把吸收到波浪能传递给液压系统带动发电机发电或驱动海水淡化装置工作。

防巨浪波能装置通过振荡水柱压缩空气进入输气管，输气管设两道单向阀（图中单向阀2），防止空气回流，压缩空气被送到防波堤前合适的距离喷出，形成一道气泡墙，改变水流方向，对巨浪产生衰减作用，单向阀1只允许空气进入气室，在振荡水柱下落时打开，空气进入带动单向涡轮发电机工作。喷气堤的引入，可以全方位的保护港湾码头，设置在防波堤口门位置，可以解决防大浪死角问题，利于湾内水体交换，是实现生态发展的可靠保障。镶嵌式的防波堤模块，防台风模块，可以实现港湾与海岸自然协调发展，能防大浪，并实现能量转换利用，是真正的生命之堤，是建设海岛，开发海岸的重要设施。

5 结束语

模块化防波堤的设计，综合考虑了港口需要，大浪条件下的波能转化，把防浪基本功能与能量转化附加功能结合起来。在可居住海岛开发中，模块化防波堤防浪、提供能源、提供淡水，起到生命之堤的作用，在海洋工程建设中必将会得到广泛应用。

此论文是作者在2015-2016年度中国石油大学（华东）访学期间研究完成。

参考文献

[1]麻志雄.透空式防波堤消波性能试验研究[J].水运工程，1990（10）：1-6.

[2] 耀保.海洋波浪能综合利用――发电原理与装置[M].上海：上海科学技术出版社，2013.