徐國峰/淄博職業(yè)學(xué)院機電工程學(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

徐國峰/淄博職業(yè)學(xué)院機電工程學(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，并進行了具體的論證，最后對其經(jīng)濟價值以及對南海的島嶼建設(shè)的預(yù)期作用做出了評價。

【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。第一級為波浪能的收集，通常采用聚波和共振的方法把分散的波浪能聚集起來。第二級為中間轉(zhuǎn)換，即能量的傳遞過程，包括機械傳動、低壓水力傳動、高壓液壓傳動、氣動傳動等，使波浪能轉(zhuǎn)換為有用的機械能。第三級轉(zhuǎn)換，把機械能通過發(fā)電機轉(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，法國的吉拉德父子，獲得了波浪能的首項專利。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)電站和一座裝機容量為500KW的振蕩水柱氣動式波浪能發(fā)電站，標(biāo)志著波浪能發(fā)電站實用化的開始。

2.波浪發(fā)電設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀。

據(jù)《紐約時報》報道，隨著技術(shù)進步，美國首個獲得商業(yè)許可的并網(wǎng)波浪能發(fā)電裝置，日前已經(jīng)進入了最后的測試階段。該裝置由海洋電力技術(shù)公司設(shè)計，獲得了美國聯(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)的一項國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（即863計劃）課題——“漂浮直驅(qū)式波浪能利用技術(shù)研究”，2013年通過科技部驗收，標(biāo)志著這一項新型波浪能發(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，出于競爭，還應(yīng)繼續(xù)努力進一步降低，主要是改進設(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)計方法和技術(shù)方面均取得了很大發(fā)展，這主要歸功于在海岸環(huán)境的科學(xué)認(rèn)知方面所取得的進步。此外，對多學(xué)科交叉的需求、工程實踐經(jīng)驗的日益豐富以及較好的分析和預(yù)測技術(shù)的發(fā)展也促進了海岸工程技術(shù)進步。在美國、荷蘭、英國和日本等國，結(jié)合最新技術(shù)進展，按照綜合規(guī)劃設(shè)計理念，已經(jīng)完成或正在修訂一些海堤防護設(shè)計方面的技術(shù)導(dǎo)則或手冊。

我國在海浪方面的基礎(chǔ)研究相對西方國家比較薄弱，應(yīng)該適當(dāng)借鑒西方國家的經(jīng)驗，并開展必要的試驗予以補充。我國沿海地區(qū)經(jīng)濟比較發(fā)達，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。確定選用形式時須考慮：堤身高度、風(fēng)浪強度、地基地質(zhì)、建材價格和施工條件等。

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

（1）護坡堤：以土堤為主，迎水面加干砌或漿砌塊石等輕型護坡的斜坡式海堤。

（2）土石混合海堤：由主石堤和防滲土體組成的斜坡式海堤。施工時先筑主石堤，要求能單獨抵御風(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)計高潮附近，頂部留一“平臺”，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，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)定和坡面防護的需要，我國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)明專利來進行探討（專利申請?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力作用，將雙向動能轉(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)化為電能，結(jié)構(gòu)簡單、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，使波浪動力板來回運動，從而通過連接桿帶動換向變速箱的齒輪轉(zhuǎn)動。換向變速箱把兩個方向相反的力量轉(zhuǎn)換成連續(xù)不間斷的一個方向的力量，并且進行變速，使換向變速箱的輸出轉(zhuǎn)速加快，然后帶動發(fā)電機進行發(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，把支撐架固定在底座上。支撐架要用“槽鋼”來進行制作，這樣比較堅固，能傳遞較大的力量。底座是安裝在海堤的墻體里，用8～10根實心的圓鋼（直徑100mm，長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，波浪動力板通過連接桿連接到換向變速箱上。波浪動力板離海堤的距離，是連接桿加上波浪動力板長度的2倍，確保動力板不會碰到海堤。

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力板的距離，太遠(yuǎn)會延長支撐架的長度，增加制作成本；太近又會增加碰撞海堤的危險。其次要考慮發(fā)電機安裝時的防水、防潮問題。發(fā)電機的防水、防潮做不好，會影響正常的發(fā)電和發(fā)電機的使用壽命，也會增加成本。

（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，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。這時候，海浪的沖擊力有多少噸，作用到整個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，是靠海堤和動力板共同來抵擋海浪的沖擊。先是動力板阻擋海浪，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。這時候，海浪經(jīng)過動力板的阻擋后，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，達到要求后，發(fā)電效果會很好。海水在沒有潮汐的時候，“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，發(fā)電設(shè)備會超常態(tài)發(fā)電；退潮時，發(fā)電設(shè)備也會超常態(tài)發(fā)電，但比漲潮時的小。

（四）評價

綜合前三項的內(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。建議通過實驗取得關(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)濟價值

（一）發(fā)電的經(jīng)濟價值

“鐘擺式波浪發(fā)電設(shè)備”發(fā)出的電量存儲在儲電設(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要小一些，比較好解決；其次，發(fā)電量達到一定規(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”的動力板在吸收海浪沖擊力進行發(fā)電的同時，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)濟效果，對海防建設(shè)是有好的作用的，尤其對南海的圍海建島是有幫助的。

參考文獻：

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[3]中國水利百科全書，2006年.

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

作者簡介：徐國峰（1974—02），男，山東淄博人，淄博職業(yè)學(xué)院教師。