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        防波堤中波浪能利用裝置的研究

        2016-12-31 00:00:00劉加利王廣業(yè)孫在松
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年32期

        摘 要:防波堤是海島開(kāi)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(hù)港灣的同時(shí),充分利用波浪能為海島碼頭提供能源和淡水供應(yīng),有效降低海島開(kāi)發(fā)成本,促進(jìn)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(guó)海域中,有1.8萬(wàn)公里的海岸線,分布著6500多個(gè)500平方米以上的海島,它們?cè)诤Q箝_(kāi)發(fā)和國(guó)防建設(shè)方面占有重要地位,能源和淡水是海洋資源開(kāi)發(fā)和海防建設(shè)活動(dòng)的基本需求,開(kāi)發(fā)島嶼特別是遠(yuǎn)離大陸的島嶼,能源供應(yīng)受制于運(yùn)輸和天氣,其供應(yīng)成本關(guān)系到海洋資源開(kāi)發(fā)的成本,因而也就直接影響到海洋資源開(kāi)發(fā)的能力,因此,把海岸設(shè)施與波能利用結(jié)合起來(lái),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(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),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(hù)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(lái)發(fā)展起來(lái)的,根據(jù)波能集中于表層的特點(diǎn),結(jié)合工程的特殊需要而研究出來(lái)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(jī),通過(guò)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(shí)性工程。

        2 波能轉(zhuǎn)換裝置

        波浪所蘊(yùn)涵的能量主要是是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢(shì)能,對(duì)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(diǎn)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(kāi)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(jī)。波浪作用下,水室中的波面推動(dòng)上部的空氣運(yùn)動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)空氣渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的氣流,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(guò)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(guò)液壓裝置轉(zhuǎn)換成壓力能,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá),液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的模式進(jìn)行的。國(guó)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(diǎn)與對(duì)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(wèn)題。中國(guó)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(tái)風(fēng)導(dǎo)致的巨浪,其功率密度可達(dá)每米迎波面數(shù)千千瓦。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)中損毀。惡劣的海洋環(huán)境會(huì)導(dǎo)致波能裝置的巨大響應(yīng),并對(duì)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(dú)立的電能是很關(guān)鍵的問(wèn)題。因此除了裝置本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足要求外,還要提出對(duì)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?yàn)榉乐勾罄说臎_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(jì)更合理的岸式波能利用裝置勢(shì)在必行。

        4 模塊化防波堤設(shè)計(jì)

        改變傳統(tǒng)的防波堤設(shè)計(jì),防波堤位于抗臺(tái)前沿,是最堅(jiān)固的防線,需要大量的混凝土固定塊。利用工廠混凝土預(yù)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(dòng)其上方的空氣往復(fù)地通過(guò)渦輪機(jī),將振蕩水柱的能量轉(zhuǎn)換成渦輪機(jī)的機(jī)械能,采用單向渦輪耦合發(fā)電機(jī),省略了整流電路。可翻轉(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(shí)置于水中,維護(hù)時(shí)可以用吊車(chē)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(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或驅(qū)動(dòng)海水淡化裝置工作。

        防巨浪波能裝置通過(guò)振蕩水柱壓縮空氣進(jìn)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(duì)巨浪產(chǎn)生衰減作用,單向閥1只允許空氣進(jìn)入氣室,在振蕩水柱下落時(shí)打開(kāi),空氣進(jìn)入帶動(dòng)單向渦輪發(fā)電機(jī)工作。噴氣堤的引入,可以全方位的保護(hù)港灣碼頭,設(shè)置在防波堤口門(mén)位置,可以解決防大浪死角問(wèn)題,利于灣內(nèi)水體交換,是實(shí)現(xiàn)生態(tài)發(fā)展的可靠保障。鑲嵌式的防波堤模塊,防臺(tái)風(fēng)模塊,可以實(shí)現(xiàn)港灣與海岸自然協(xié)調(diào)發(fā)展,能防大浪,并實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換利用,是真正的生命之堤,是建設(shè)海島,開(kāi)發(fā)海岸的重要設(shè)施。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        模塊化防波堤的設(shè)計(jì),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(lái)。在可居住海島開(kāi)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(huì)得到廣泛應(yīng)用。

        此論文是作者在2015-2016年度中國(guó)石油大學(xué)(華東)訪學(xué)期間研究完成。

        參考文獻(xiàn)

        [1]麻志雄.透空式防波堤消波性能試驗(yàn)研究[J].水運(yùn)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(xué)技術(shù)出版社,2013.

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