杨志坚++唐诗雨++王彬++向萌++叶加林

[摘 要]本文研究了一種喇叭型曲面的防波堤与振荡水柱波浪发电装置相结合的新型结构型式，它集合了沉箱防波堤与振荡水柱波力发电装置的共性特点设计而成，除了能利用防波堤防浪、消浪，为港区提供良好的泊稳条件外，还能利用独特设计的收缩水道和喇叭型前墙与后墻曲面坡进一步提高聚波能力，将入射波的波能大大增加。

[关键词]沉箱防波堤；喇叭型前墙；收缩水道；气室；波能转换效率

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.16.052

[中图分类号]U656.2 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2017）16-00-02

1 研究背景

防波堤是为了阻断波浪的冲击力、围护港池、维持水面平稳，以保护港口免受坏天气影响、以便船舶安全停泊和作业而修建的水中建筑物。我国海岸线绵长，港口岛屿众多，防波堤得到了广泛应用，另外，我国波浪能丰富，利用其发电的装置众多。传统能源的消耗殆尽、有害气体的排放造成的环境问题，使新能源成为当今世界各国争相研究的课题。我国的海域面积广阔，海岸线曲折而绵长，大陆海岸线长约1.8万千米，海岛海岸线长约1.4万千米，其中，蕴藏着丰富的波浪能，具有储量大、污染小、再生性强的特点。因此，我国波浪能开发利用的潜力巨大。

2 喇叭型防波堤兼作波浪发电装置的设计方案

由海军实验室的研究结果可知，气室内波面振幅与入射波高呈正线性关系，随着入射波高的增大，沉箱气室内波高增加，波面振幅增大，波面振荡程度力强，捕能效果越好。根据以上原理，本文创新设计出了喇叭型的防波堤兼作波浪发电装置（见图1）。为了提高波能转化的效率，本文利用聚波原理，在气室入口前方设计一道收缩水道，这样一来，一方面喇叭型曲面前墙可以减少反射率，并且可以与收缩水道一起最大限度汇聚波浪，同时水位也在不断上升，这可加大压缩室内上方的空气，使压强大大增加；另一方面，由于喇叭型的收缩水道和前墙的设计，由流体力学中的连续性方程可知，从气室入口进入的水体的流速增加，这可以增加气室内的水体在单位时间内水位上升的高度，即水位上升的速度更快，同时由于曲面的光顺性还可以在一定程度上减少漩涡的产生，从而减少沿程的能量损失。为提高防波堤的防浪性能，本文在堤面上连续设置方形镂空式消波组块。这个设计在有较大海浪时，一方面可以减小浪对防波堤的直接冲撞，减少波浪力，增加防波堤结构的稳定性；另一方面可以有效消波、碎波，被碎波浪沿着倾斜堤面返回港外，提高防波堤的性能，使港内始终保持平静的状态。

本作品可以很好地结合防波堤与振荡水柱波力转化装置的共性特点，在波高相对较高时，可以防浪、消浪，阻断波浪的冲击力、围护港池、维持水面平稳，以保护港口免受坏天气影响、以便船舶安全停泊和作业；在波高相对较低时，又可以汇聚波浪的能量，利用波浪能发电，创新设计的喇叭形前墙曲面及收缩水道还能提高波能转化效率。

图1 喇叭型防波堤兼作波浪发电装置整体原理图

3 模型试验

本作品试验在重庆交通大学国家内河航道中心进行，通过不同的波高将传统的垂直平面沉箱防波堤与本作品进行对比，探讨其转化效率，以此验证本作品的可靠性，测得的具体试验数据如表1所示。

通过分析试验数据可知，本作品的发电效率较传统的垂直平面型的防波堤兼作波浪发电装置的发电效率要较高，转化效率随着波高的增加而增加，这也与文中提到的理论依据一致。

4 总结与展望

（1）我国海岸线绵长，约1.8万千米，港区众多，波浪能蕴藏极为丰富，港口附近需修筑许多防波堤，保障船只安全运输和泊稳，这为防波堤可用波浪能进行发电提供了一定的可行性。

（2）波浪能是最清洁的可再生资源，它的开发利用，将大大缓解矿物能源逐渐枯竭的危机，改善矿物能源燃烧破坏环境这一现状。

（3）本作品既能防浪消浪，又能利用波浪能发电，且将振荡气室结构设置在防波堤内部，在保证防波堤结构稳定性的同时，还能降低防波堤的建造成本，若能进一步实验和调试，将具有更大的经济效益和社会效益，并具有很好的推广前景。

（4）本作品的发电效率高，输出功率较为稳定，可并入电网，或者可将电能输到蓄电池中储存起来，为港口附近的大功率设备直接供电，实用性较好。

（5）本作品的机械设备不与海水直接接触，相比于其他型式的波浪发电装置，其可减少海水带来的腐蚀，维修周期短，费用低，维修也较为方便，经济性较高。

（6）若将该装置布置在一些孤立的海洋平台或岛礁周围（如南海诸岛），既可防浪消浪，避免岛礁受到海浪的冲刷破坏，又可发电，为岛上的基础设施供电，可大大降低人类对石油等化学能源的依赖性，因此具有较广的市场。

主要参考文献

[1]冯庆熙.电液伺服海浪模拟系统设计与实践[D].秦皇岛：燕山大学，2008.

[2]李海锋.沉箱防波堤兼作岸式振荡水柱波力发电装置捕能气室的设计与试验研究[D].青岛：中国海洋大学，2009.

[3]耿楠.振荡水柱波能转换器效率分析及改进方案研究[D].长沙：湖南大学，2012.

[4]熊焰，王海峰，崔琳，等.我国洋可再生能源开发利用发展思路研究[J].海洋技术学报，2009（3）.

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