“钟摆式波浪发电设备”与海堤建设结合的研究

徐国峰/淄博职业学院机电工程学院



“钟摆式波浪发电设备”与海堤建设结合的研究

徐国峰/淄博职业学院机电工程学院

【摘 要】本文首先介绍了波浪发电设备和海堤建设的发展现状，然后提出了“钟摆式波浪发电设备”与海堤建设结合的观点，并进行了具体的论证，最后对其经济价值以及对南海的岛屿建设的预期作用做出了评价。

【关键词】波浪发电；“钟摆式波浪发电设备”；海堤建设；“钟摆式波浪发电设备”与海堤建设的结合

一、波浪发电设备的发展现状

（一）波浪发电技术

波浪发电是通过波浪能转换装置，先将波浪能转换为机械能，然后再转换成电能的过程。波浪能的转换一般有三级。第一级为波浪能的收集，通常采用聚波和共振的方法把分散的波浪能聚集起来。第二级为中间转换，即能量的传递过程，包括机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动等，使波浪能转换为有用的机械能。第三级转换，把机械能通过发电机转换为电能。波浪发电要求输入的能量稳定，必须有一系列稳速、稳压和蓄能等技术来保证，它同常规发电相比有特殊的要求。

（二）波浪发电设备的现状

1.波浪发电设备的发展历史。

1799年，法国的吉拉德父子，获得了波浪能的首项专利。1965年，日本的益田善雄发明了导航灯浮标用的气轮机波浪能发电装置，获得推广，成为首次商品化的波浪能发电装置。挪威在卑尔根附近的奥依加登岛建成了一座装机容量为250KW的收缩斜坡聚焦波道式波浪能发电站和一座装机容量为500KW的振荡水柱气动式波浪能发电站，标志着波浪能发电站实用化的开始。

2.波浪发电设备的发展现状。

据《纽约时报》报道，随着技术进步，美国首个获得商业许可的并网波浪能发电装置，日前已经进入了最后的测试阶段。该装置由海洋电力技术公司设计，获得了美国联邦政府的批准，并网之后足以为1000户家庭提供电力。

中科院广州能源研究所承担的一项国家高技术研究发展计划（即863计划）课题——“漂浮直驱式波浪能利用技术研究”，2013年通过科技部验收，标志着这一项新型波浪能发电技术取得阶段性成果。

当今世界波力发电成本基本上接近于普通电价，出于竞争，还应继续努力进一步降低，主要是改进设备。

二、海堤建设的发展现状及类型

（一）海堤建设的发展现状

近些年来，在海岸工程规划设计方法和技术方面均取得了很大发展，这主要归功于在海岸环境的科学认知方面所取得的进步。此外，对多学科交叉的需求、工程实践经验的日益丰富以及较好的分析和预测技术的发展也促进了海岸工程技术进步。在美国、荷兰、英国和日本等国，结合最新技术进展，按照综合规划设计理念，已经完成或正在修订一些海堤防护设计方面的技术导则或手册。

我国在海浪方面的基础研究相对西方国家比较薄弱，应该适当借鉴西方国家的经验，并开展必要的试验予以补充。我国沿海地区经济比较发达，但不同地区之间仍有一定差异，江浙一带的海堤结构形式以带平台斜坡式为主，消浪效果最好。

（二）海堤的结构类型

海堤作为防浪建筑物，除承受波浪作用外，同时还要挡潮。海堤一般不允许越浪，其堤顶高度要求较高。按结构形式海堤可分为斜坡式、陡墙式及混合式三种。确定选用形式时须考虑：堤身高度、风浪强度、地基地质、建材价格和施工条件等。

1.根据断面结构，斜坡式海堤分为护坡堤和土石混合海堤。

（1）护坡堤：以土堤为主，迎水面加干砌或浆砌块石等轻型护坡的斜坡式海堤。

（2）土石混合海堤：由主石堤和防渗土体组成的斜坡式海堤。施工时先筑主石堤，要求能单独抵御风浪和潮流的破坏，后加土体用以挡潮防渗。

2.陡墙式海堤：由外坡坡度系数m≤0.4的陡墙或直墙的石堤构成的海堤。

3.混合式海堤：迎水面防浪结构由斜坡式和陡墙式组合而成的海堤。

（1）下部为砌石陡墙，上部为斜坡。陡墙顶设在设计高潮附近，顶部留一“平台”，再接斜坡，这种形式可有效地减小波浪爬高，从而降低堤顶高度。因下部砌石陡墙须干施工，一般只能用于滩面高程较高的情况。

（2）下部为斜坡式砌石堤，上部为砌石陡墙。当滩面高程低于小潮低潮位时，宜采用这种形式。斜坡式堆石堤堤顶宜高出平均低潮位，再砌筑陡墙。混合式海堤的防浪结构后侧仍需填筑防渗土体。

4.基于整体稳定和坡面防护的需要，我国海堤外坡一般没有抛石镇压层。

三、探讨“钟摆式波浪发电设备”与海堤建设结合的可行性

（一）“钟摆式波浪发电设备”的介绍

本文采用“钟摆式波浪发电设备”的发明专利来进行探讨（专利申请号为200910019019.X）。

“钟摆式波浪发电设备”属于波浪能发电设备领域，是一种将波浪能转化为电能的发电设备。它要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用波浪前后往返的推动力作用，将双向动能转化为机械能再转化为电能，结构简单、发电效率高，使用范围广。“钟摆式波浪发电设备”的工作原理：利用波浪向前与向后的冲刷力，使波浪动力板来回运动，从而通过连接杆带动换向变速箱的齿轮转动。换向变速箱把两个方向相反的力量转换成连续不间断的一个方向的力量，并且进行变速，使换向变速箱的输出转速加快，然后带动发电机进行发电。

（二）施工上的可行性

1.海堤上安装“钟摆式波浪发电设备”的要求。

安装时，把支撑架固定在底座上。支撑架要用“槽钢”来进行制作，这样比较坚固，能传递较大的力量。底座是安装在海堤的墙体里，用8～10根实心的圆钢（直径100mm，长3m）垂直镶嵌在海堤上，露出半米高度，以便安装支撑架。

支撑架上安装换向变速箱和发电机，波浪动力板通过连接杆连接到换向变速箱上。波浪动力板离海堤的距离，是连接杆加上波浪动力板长度的2倍，确保动力板不会碰到海堤。

2.海堤上安装发电设备的难度。

首先要确定海堤边缘与动力板的距离，太远会延长支撑架的长度，增加制作成本；太近又会增加碰撞海堤的危险。其次要考虑发电机安装时的防水、防潮问题。发电机的防水、防潮做不好，会影响正常的发电和发电机的使用寿命，也会增加成本。

（三）“钟摆式波浪发电设备”与海堤建设结合后的效果

1.结合后，海堤的防海浪作用。

海堤在不加“钟摆式波浪发电设备”时，是完全靠海堤墙上的石块或混凝土结构来抵挡海浪的冲击。这时候，海浪的冲击力有多少吨，作用到整个海堤墙面上的冲击力就有多少吨，没有缓冲。

海堤在加上“钟摆式波浪发电设备”时，是靠海堤和动力板共同来抵挡海浪的冲击。先是动力板阻挡海浪，吸收一部分冲击力，然后海堤墙再阻挡海浪的另一部分冲击力。这时候，海浪经过动力板的阻挡后，冲击力变小，作用到海堤墙上的冲击力就小了，动力板起到了缓冲作用。

2.结合后，发电设备的发电效果。

“钟摆式波浪发电设备”在海堤上安装，达到要求后，发电效果会很好。海水在没有潮汐的时候，“钟摆式波浪发电设备”处在正常的发电状态中；涨潮时，发电设备会超常态发电；退潮时，发电设备也会超常态发电，但比涨潮时的小。

（四）评价

综合前三项的内容，我们可以看到在海堤上建设和安装“钟摆式波浪发电设备”能起到很好的防海浪和发电效果，是一项环保、可行的海堤建设方案。这种海堤建设方案在岛屿的堤岸建设及围海建造的岛屿上，特别适用。建议通过实验取得关键数据后，加以推广。

四、“钟摆式波浪发电设备”与海堤建设结合后的经济价值

（一）发电的经济价值

“钟摆式波浪发电设备”发出的电量存储在储电设备中，可满足多种用电需求。首先，能满足道路的路灯用电和生活中的照明用电需求。路灯和生活照明的用电量相对要小一些，比较好解决；其次，发电量达到一定规模后，还能解决家用电器的用电需求。

（二）海堤维护成本的降低

海浪的冲击是危及海堤安全的主要因素。海堤常年受到剧烈的冲击，容易对海堤主体结构造成损坏。“钟摆式波浪发电设备”的动力板在吸收海浪冲击力进行发电的同时，能有效抵消海浪的冲击力，减少海堤主体结构的损坏。这样海堤损坏的地方少了，维修的次数、面积也少了，因此，维护的成本就随之降低了。

综合以上四方面的论述，“钟摆式波浪发电设备”与海堤建设结合是可行的，是能产生好的经济效果，对海防建设是有好的作用的，尤其对南海的围海建岛是有帮助的。

参考文献：

[1]俞聿修，波浪对建筑物和海底的作用。港工技术，2001，1-5.

[2]王晓波，陈秀良，王文双，新型结构海堤的研究与实践，浙江水力科技，2007年.

[3]中国水利百科全书，2006年.

[4]徐国峰，钟摆式波浪发电设备，发明专利，2012年.

作者简介：徐国峰（1974—02），男，山东淄博人，淄博职业学院教师。