一種吸能護(hù)堤的海底發(fā)電裝置

何凱柯

海洋環(huán)境變幻莫測，海難頻發(fā)，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(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。國家海洋局《2016年中國海洋災(zāi)害公報(bào)》顯示：僅此一年，我國各類海洋災(zāi)害就造成了直接經(jīng)濟(jì)損失50億元，死亡（含失蹤）60人，而這樣的災(zāi)情和過去相比已經(jīng)是總體偏輕的了。由此可見，抑制海浪，避免災(zāi)難的需求十分迫切。

而在自然界的某些地區(qū)，海浪與泥濘海底相互作用，波高在一兩個(gè)波長的距離內(nèi)即被削減至安全范圍，波浪能耗散顯著。但海底泥不穩(wěn)定，易遷移，導(dǎo)致我國目前僅有四分之一的海岸線受泥濘保護(hù)。充分利用大量耗散的波浪能，實(shí)施人工消波、化害為利，把被動(dòng)阻擋式海岸防護(hù)工程變?yōu)橹鲃?dòng)式防護(hù)工程，已經(jīng)成為海洋工程研究熱點(diǎn)之一。我發(fā)明的這種吸能護(hù)堤的海底發(fā)電裝置正是基于這一熱點(diǎn)的一個(gè)嘗試。

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢能。貯存的能量通過摩擦和湍動(dòng)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(xiàn)有方式多裝設(shè)在海面，不僅妨礙船只航行及海洋生態(tài)，而且在惡劣海況下無法抵抗風(fēng)浪的沖擊破壞，十分脆弱。我國的波浪能發(fā)展仍需要探索更加可靠的收集發(fā)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(huì)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(guān)的現(xiàn)象呢？有的。波泥現(xiàn)象，就是海底淤質(zhì)泥床與流經(jīng)波浪相互作用導(dǎo)致波浪能量衰減的現(xiàn)象。

為了克服海面發(fā)電裝置的不足，我們特別模擬海底波泥現(xiàn)象，設(shè)計(jì)該裝置。其整體設(shè)計(jì)思路如下：

基于波泥效應(yīng)的護(hù)堤吸能海底發(fā)電裝置，包括能量采集裝置、機(jī)械變頻裝置和能量轉(zhuǎn)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(zhì)為硅膠，柔性毯1底部設(shè)有剛性架2，所述剛性架2底部設(shè)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(zhì)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(yīng)從波浪中收集耗散能量。

能量采集裝置底部設(shè)有機(jī)械變頻裝置，該機(jī)械變頻裝置包括主架4、底座5，受力桿6、滾珠絲杠7、傳動(dòng)桿8、聯(lián)軸器14、曲柄連桿15、套筒16和滾動(dòng)軸承18。底座5設(shè)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(shè)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(dòng)軸承18固定在主架4內(nèi)部，底部設(shè)有聯(lián)軸器14和曲柄連桿15，傳動(dòng)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(dòng)桿8之間設(shè)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(dòng)桿8與套筒16焊接。由于海面波浪起因?yàn)樽匀伙L(fēng)力，波浪振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)電裝置固有頻率，故利用滾珠絲杠7的逆?zhèn)鲃?dòng)放大激勵(lì)頻率，運(yùn)動(dòng)精度高，傳動(dòng)效率可達(dá)90%。

能量變換裝置與機(jī)械變頻裝置連接，該能量變換裝置包括頂蓋9、底蓋10、防護(hù)管11、動(dòng)子永磁體組12、定子線圈13和定子護(hù)管17，頂蓋9與底蓋10之間設(shè)有防護(hù)管11，防護(hù)管11材質(zhì)為石英，能夠有效防止海水進(jìn)入腐蝕內(nèi)部裝置。動(dòng)子永磁體組12吸附在傳動(dòng)桿8，其位置在定子護(hù)管17的內(nèi)部，定子護(hù)管17的底部固定在底蓋10上，定子護(hù)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(yīng)從波浪中收集耗散能量，并周期性地推動(dòng)受力桿6，周期性的推力帶動(dòng)滾珠螺母線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使?jié)L珠絲杠7發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過聯(lián)軸器14傳遞扭矩帶動(dòng)曲柄連桿15工作，通過傳動(dòng)桿8帶動(dòng)動(dòng)子永磁體組12往復(fù)運(yùn)動(dòng)直線式發(fā)電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。

我國有廣闊的海洋資源，波浪能的理論存儲(chǔ)量為7000萬千瓦左右，有巨大的開發(fā)價(jià)值和應(yīng)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(dá)17～39 kW/m，渤海灣更是高達(dá)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?yàn)檠b置在工作過程中耗散了相當(dāng)數(shù)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(hù)意義。

（指導(dǎo)教師 徐 鴿 編輯 孫世奇）endprint