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)

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