一種吸能護堤的海底發電裝置

何凱柯

海洋環境變幻莫測，海難頻發，在海難面前，中國每年都蒙受了巨大的損失，海濱居民的生命、財產安全受到嚴重威脅。國家海洋局《2016年中國海洋災害公報》顯示：僅此一年，我國各類海洋災害就造成了直接經濟損失50億元，死亡（含失蹤）60人，而這樣的災情和過去相比已經是總體偏輕的了。由此可見，抑制海浪，避免災難的需求十分迫切。

而在自然界的某些地區，海浪與泥濘海底相互作用，波高在一兩個波長的距離內即被削減至安全范圍，波浪能耗散顯著。但海底泥不穩定，易遷移，導致我國目前僅有四分之一的海岸線受泥濘保護。充分利用大量耗散的波浪能，實施人工消波、化害為利，把被動阻擋式海岸防護工程變為主動式防護工程，已經成為海洋工程研究熱點之一。我發明的這種吸能護堤的海底發電裝置正是基于這一熱點的一個嘗試。

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。貯存的能量通過摩擦和湍動而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。

目前主要的波浪能收集方式有振蕩浮子式、振蕩水柱式、近岸式等。但是，現有方式多裝設在海面，不僅妨礙船只航行及海洋生態，而且在惡劣海況下無法抵抗風浪的沖擊破壞，十分脆弱。我國的波浪能發展仍需要探索更加可靠的收集發電方式。因此，我不由得想到，將波浪能收集裝置放在海底，或許會有意想不到的效果！

首先要思考的是，海底有沒有類似的和波浪能相關的現象呢？有的。波泥現象，就是海底淤質泥床與流經波浪相互作用導致波浪能量衰減的現象。

為了克服海面發電裝置的不足，我們特別模擬海底波泥現象，設計該裝置。其整體設計思路如下：

基于波泥效應的護堤吸能海底發電裝置，包括能量采集裝置、機械變頻裝置和能量轉換裝置，所述能量采集裝置包括柔性毯1、剛性架2和連接板3，柔性毯1材質為硅膠，柔性毯1底部設有剛性架2，所述剛性架2底部設有連接板3，剛性架2通過連接板3固定在柔性毯1上，剛性架2的材質為玻璃纖維。柔性毯1通過模擬海底泥面對海面波浪的削減，基于波泥效應從波浪中收集耗散能量。

能量采集裝置底部設有機械變頻裝置，該機械變頻裝置包括主架4、底座5，受力桿6、滾珠絲杠7、傳動桿8、聯軸器14、曲柄連桿15、套筒16和滾動軸承18。底座5設在海床上，用于固定能量采集裝置，底座5上安裝主架4；主架4頂部設有受力桿6，用于接收能量采集裝置收集的波浪能，受力桿6底部連接滾珠絲杠7上的螺母，滾珠絲杠7通過滾動軸承18固定在主架4內部，底部設有聯軸器14和曲柄連桿15，傳動桿8通過曲柄連桿15與滾珠絲杠7連接，曲柄連桿15與傳動桿8之間設有套筒16，其中曲柄連桿15與套筒16之間通過螺釘連接，傳動桿8與套筒16焊接。由于海面波浪起因為自然風力，波浪振動頻率遠遠小于發電裝置固有頻率，故利用滾珠絲杠7的逆傳動放大激勵頻率，運動精度高，傳動效率可達90%。

能量變換裝置與機械變頻裝置連接，該能量變換裝置包括頂蓋9、底蓋10、防護管11、動子永磁體組12、定子線圈13和定子護管17，頂蓋9與底蓋10之間設有防護管11，防護管11材質為石英，能夠有效防止海水進入腐蝕內部裝置。動子永磁體組12吸附在傳動桿8，其位置在定子護管17的內部，定子護管17的底部固定在底蓋10上，定子護管17上纏繞定子線圈13。

能量采集裝置模擬海底泥面對海面波浪的削減，基于波泥效應從波浪中收集耗散能量，并周期性地推動受力桿6，周期性的推力帶動滾珠螺母線性往復運動，使滾珠絲杠7發生旋轉運動，再通過聯軸器14傳遞扭矩帶動曲柄連桿15工作，通過傳動桿8帶動動子永磁體組12往復運動直線式發電，實現機械能到電能的轉化。

我國有廣闊的海洋資源，波浪能的理論存儲量為7000萬千瓦左右，有巨大的開發價值和應用前景。我國沿海有效波高約為2～3 m、周期為9 s的波列，波浪功率可達17～39 kW/m，渤海灣更是高達42 kW/m。波浪能能量密度高、分布面廣，是一種取之不竭的可再生清潔能源。尤其是在能源消耗較大的冬季，可以利用的波浪能也最大。此外，因為裝置在工作過程中耗散了相當數目的波浪能，對于我國70%沒有泥濘的海岸線處的海堤安全，也有著重要的防護意義。

（指導教師 徐 鴿 編輯 孫世奇）endprint