喇叭型防波堤兼作波浪發電裝置設計研究

楊志堅++唐詩雨++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電裝置相結合的新型結構型式，它集合了沉箱防波堤與振蕩水柱波力發電裝置的共性特點設計而成，除了能利用防波堤防浪、消浪，為港區提供良好的泊穩條件外，還能利用獨特設計的收縮水道和喇叭型前墻與后墻曲面坡進一步提高聚波能力，將入射波的波能大大增加。

[關鍵詞]沉箱防波堤；喇叭型前墻；收縮水道；氣室；波能轉換效率

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.16.052

[中圖分類號]U656.2 [文獻標識碼]A [文章編號]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、圍護港池、維持水面平穩，以保護港口免受壞天氣影響、以便船舶安全停泊和作業而修建的水中建筑物。我國海岸線綿長，港口島嶼眾多，防波堤得到了廣泛應用，另外，我國波浪能豐富，利用其發電的裝置眾多。傳統能源的消耗殆盡、有害氣體的排放造成的環境問題，使新能源成為當今世界各國爭相研究的課題。我國的海域面積廣闊，海岸線曲折而綿長，大陸海岸線長約1.8萬千米，海島海岸線長約1.4萬千米，其中，蘊藏著豐富的波浪能，具有儲量大、污染小、再生性強的特點。因此，我國波浪能開發利用的潛力巨大。

2 喇叭型防波堤兼作波浪發電裝置的設計方案

由海軍實驗室的研究結果可知，氣室內波面振幅與入射波高呈正線性關系，隨著入射波高的增大，沉箱氣室內波高增加，波面振幅增大，波面振蕩程度力強，捕能效果越好。根據以上原理，本文創新設計出了喇叭型的防波堤兼作波浪發電裝置（見圖1）。為了提高波能轉化的效率，本文利用聚波原理，在氣室入口前方設計一道收縮水道，這樣一來，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，同時水位也在不斷上升，這可加大壓縮室內上方的空氣，使壓強大大增加；另一方面，由于喇叭型的收縮水道和前墻的設計，由流體力學中的連續性方程可知，從氣室入口進入的水體的流速增加，這可以增加氣室內的水體在單位時間內水位上升的高度，即水位上升的速度更快，同時由于曲面的光順性還可以在一定程度上減少漩渦的產生，從而減少沿程的能量損失。為提高防波堤的防浪性能，本文在堤面上連續設置方形鏤空式消波組塊。這個設計在有較大海浪時，一方面可以減小浪對防波堤的直接沖撞，減少波浪力，增加防波堤結構的穩定性；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，使港內始終保持平靜的狀態。

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

圖1 喇叭型防波堤兼作波浪發電裝置整體原理圖

3 模型試驗

本作品試驗在重慶交通大學國家內河航道中心進行，通過不同的波高將傳統的垂直平面沉箱防波堤與本作品進行對比，探討其轉化效率，以此驗證本作品的可靠性，測得的具體試驗數據如表1所示。

通過分析試驗數據可知，本作品的發電效率較傳統的垂直平面型的防波堤兼作波浪發電裝置的發電效率要較高，轉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一致。

4 總結與展望

（1）我國海岸線綿長，約1.8萬千米，港區眾多，波浪能蘊藏極為豐富，港口附近需修筑許多防波堤，保障船只安全運輸和泊穩，這為防波堤可用波浪能進行發電提供了一定的可行性。

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

（3）本作品既能防浪消浪，又能利用波浪能發電，且將振蕩氣室結構設置在防波堤內部，在保證防波堤結構穩定性的同時，還能降低防波堤的建造成本，若能進一步實驗和調試，將具有更大的經濟效益和社會效益，并具有很好的推廣前景。

（4）本作品的發電效率高，輸出功率較為穩定，可并入電網，或者可將電能輸到蓄電池中儲存起來，為港口附近的大功率設備直接供電，實用性較好。

（5）本作品的機械設備不與海水直接接觸，相比于其他型式的波浪發電裝置，其可減少海水帶來的腐蝕，維修周期短，費用低，維修也較為方便，經濟性較高。

（6）若將該裝置布置在一些孤立的海洋平臺或島礁周圍（如南海諸島），既可防浪消浪，避免島礁受到海浪的沖刷破壞，又可發電，為島上的基礎設施供電，可大大降低人類對石油等化學能源的依賴性，因此具有較廣的市場。

主要參考文獻

[1]馮慶熙.電液伺服海浪模擬系統設計與實踐[D].秦皇島：燕山大學，2008.

[2]李海鋒.沉箱防波堤兼作岸式振蕩水柱波力發電裝置捕能氣室的設計與試驗研究[D].青島：中國海洋大學，2009.

[3]耿楠.振蕩水柱波能轉換器效率分析及改進方案研究[D].長沙：湖南大學，2012.

[4]熊焰，王海峰，崔琳，等.我國洋可再生能源開發利用發展思路研究[J].海洋技術學報，2009（3）.

[5]G Iglesias，R Carballo .Wave Power for La Isla Bonita[J].Energy， 2010，35（12）.endprint