“鐘擺式波浪發電設備”與海堤建設結合的研究

徐國峰/淄博職業學院機電工程學院

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“鐘擺式波浪發電設備”與海堤建設結合的研究

徐國峰/淄博職業學院機電工程學院

【摘 要】本文首先介紹了波浪發電設備和海堤建設的發展現狀，然后提出了“鐘擺式波浪發電設備”與海堤建設結合的觀點，并進行了具體的論證，最后對其經濟價值以及對南海的島嶼建設的預期作用做出了評價。

【關鍵詞】波浪發電；“鐘擺式波浪發電設備”；海堤建設；“鐘擺式波浪發電設備”與海堤建設的結合

一、波浪發電設備的發展現狀

（一）波浪發電技術

波浪發電是通過波浪能轉換裝置，先將波浪能轉換為機械能，然后再轉換成電能的過程。波浪能的轉換一般有三級。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，使波浪能轉換為有用的機械能。第三級轉換，把機械能通過發電機轉換為電能。波浪發電要求輸入的能量穩定，必須有一系列穩速、穩壓和蓄能等技術來保證，它同常規發電相比有特殊的要求。

（二）波浪發電設備的現狀

1.波浪發電設備的發展歷史。

1799年，法國的吉拉德父子，獲得了波浪能的首項專利。1965年，日本的益田善雄發明了導航燈浮標用的氣輪機波浪能發電裝置，獲得推廣，成為首次商品化的波浪能發電裝置。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電站和一座裝機容量為500KW的振蕩水柱氣動式波浪能發電站，標志著波浪能發電站實用化的開始。

2.波浪發電設備的發展現狀。

據《紐約時報》報道，隨著技術進步，美國首個獲得商業許可的并網波浪能發電裝置，日前已經進入了最后的測試階段。該裝置由海洋電力技術公司設計，獲得了美國聯邦政府的批準，并網之后足以為1000戶家庭提供電力。

中科院廣州能源研究所承擔的一項國家高技術研究發展計劃（即863計劃）課題——“漂浮直驅式波浪能利用技術研究”，2013年通過科技部驗收，標志著這一項新型波浪能發電技術取得階段性成果。

當今世界波力發電成本基本上接近于普通電價，出于競爭，還應繼續努力進一步降低，主要是改進設備。

二、海堤建設的發展現狀及類型

（一）海堤建設的發展現狀

近些年來，在海岸工程規劃設計方法和技術方面均取得了很大發展，這主要歸功于在海岸環境的科學認知方面所取得的進步。此外，對多學科交叉的需求、工程實踐經驗的日益豐富以及較好的分析和預測技術的發展也促進了海岸工程技術進步。在美國、荷蘭、英國和日本等國，結合最新技術進展，按照綜合規劃設計理念，已經完成或正在修訂一些海堤防護設計方面的技術導則或手冊。

我國在海浪方面的基礎研究相對西方國家比較薄弱，應該適當借鑒西方國家的經驗，并開展必要的試驗予以補充。我國沿海地區經濟比較發達，但不同地區之間仍有一定差異，江浙一帶的海堤結構形式以帶平臺斜坡式為主，消浪效果最好。

（二）海堤的結構類型

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。按結構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、風浪強度、地基地質、建材價格和施工條件等。

1.根據斷面結構，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m≤0.4的陡墻或直墻的石堤構成的海堤。

3.混合式海堤：迎水面防浪結構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。陡墻頂設在設計高潮附近，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。混合式海堤的防浪結構后側仍需填筑防滲土體。

4.基于整體穩定和坡面防護的需要，我國海堤外坡一般沒有拋石鎮壓層。

三、探討“鐘擺式波浪發電設備”與海堤建設結合的可行性

（一）“鐘擺式波浪發電設備”的介紹

本文采用“鐘擺式波浪發電設備”的發明專利來進行探討（專利申請號為200910019019.X）。

“鐘擺式波浪發電設備”屬于波浪能發電設備領域，是一種將波浪能轉化為電能的發電設備。它要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種利用波浪前后往返的推動力作用，將雙向動能轉化為機械能再轉化為電能，結構簡單、發電效率高，使用范圍廣。“鐘擺式波浪發電設備”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動。換向變速箱把兩個方向相反的力量轉換成連續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速加快，然后帶動發電機進行發電。

（二）施工上的可行性

1.海堤上安裝“鐘擺式波浪發電設備”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.海堤上安裝發電設備的難度。

首先要確定海堤邊緣與動力板的距離，太遠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。其次要考慮發電機安裝時的防水、防潮問題。發電機的防水、防潮做不好，會影響正常的發電和發電機的使用壽命，也會增加成本。

（三）“鐘擺式波浪發電設備”與海堤建設結合后的效果

1.結合后，海堤的防海浪作用。

海堤在不加“鐘擺式波浪發電設備”時，是完全靠海堤墻上的石塊或混凝土結構來抵擋海浪的沖擊。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“鐘擺式波浪發電設備”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.結合后，發電設備的發電效果。

“鐘擺式波浪發電設備”在海堤上安裝，達到要求后，發電效果會很好。海水在沒有潮汐的時候，“鐘擺式波浪發電設備”處在正常的發電狀態中；漲潮時，發電設備會超常態發電；退潮時，發電設備也會超常態發電，但比漲潮時的小。

（四）評價

綜合前三項的內容，我們可以看到在海堤上建設和安裝“鐘擺式波浪發電設備”能起到很好的防海浪和發電效果，是一項環保、可行的海堤建設方案。這種海堤建設方案在島嶼的堤岸建設及圍海建造的島嶼上，特別適用。建議通過實驗取得關鍵數據后，加以推廣。

四、“鐘擺式波浪發電設備”與海堤建設結合后的經濟價值

（一）發電的經濟價值

“鐘擺式波浪發電設備”發出的電量存儲在儲電設備中，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，發電量達到一定規模后，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，容易對海堤主體結構造成損壞。“鐘擺式波浪發電設備”的動力板在吸收海浪沖擊力進行發電的同時，能有效抵消海浪的沖擊力，減少海堤主體結構的損壞。這樣海堤損壞的地方少了，維修的次數、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，“鐘擺式波浪發電設備”與海堤建設結合是可行的，是能產生好的經濟效果，對海防建設是有好的作用的，尤其對南海的圍海建島是有幫助的。

參考文獻：

[1]俞聿修，波浪對建筑物和海底的作用。港工技術，2001，1-5.

[2]王曉波，陳秀良，王文雙，新型結構海堤的研究與實踐，浙江水力科技，2007年.

[3]中國水利百科全書，2006年.

[4]徐國峰，鐘擺式波浪發電設備，發明專利，2012年.

作者簡介：徐國峰（1974—02），男，山東淄博人，淄博職業學院教師。