评估新型混合浮动防波堤—波浪能装置对水动力性能和可持续能量输出的影响

把港口屏障变成清洁发电厂

沿海城市投入巨资建造屏障以减弱波浪，使船只安全停靠并防止海岸侵蚀。本研究提出了一个简单却有力的问题：如果这些防护屏障同时也能作为安静的发电厂，从它们所抑制的波浪中产生清洁电力，会怎样？通过改造浮动防波堤并加入紧凑的风轮，研究人员展示了如何将海岸保护与可再生能源在单一浮动结构中结合起来。

为何波浪是尚未充分开发的能源宝藏

海洋波浪携带着高密度且可预测的能量，但多数海岸仍依赖化石燃料。尽管已有许多装置被提出用于收集波浪能，但它们往往结构复杂、造价高或难以在海上维护。其中最简单的概念之一是摆动式水柱：一个部分浸没在水中的空心箱体，底部与海水相通，波浪推动箱内水面上下起伏。该运动压缩并释放被困的气体，通过连接发电机的涡轮往复流动驱动发电。其优点在于只有空气涡轮有运动部件，其余部分是坚固的外壳，还能兼作防波堤。

构建与测试一种浮动波浪屏障

为探索这一构想，团队制作了悬浮式浮动防波堤带内置摆动水柱的比例模型，并在一座13米长的波浪槽中进行了试验。不同高度和周期的规则波沿槽传播，冲向四种结构版本，每种后壁形状不同。透明壁便于观察水面起伏，波浪测量仪记录了每个来波的反射、透射或因湍流而损失的能量。压力传感器跟踪被困空气的受压强度，小型Wells涡轮——其叶片设计能在气流反向时仍维持同一旋转方向——将气流运动转换为电能，由电压和电流表监测。

形状如何控制消波性能与发电输出

核心设计问题在于后壁几何形状和前部开口深度如何影响性能。团队将简单的箱形浮体与三种更先进的版本进行了比较，其中包括一个带长斜后壁的模型（Model-D）。研究发现，装置宽度与波长的比值以及前壁的吃水深度对行为有强烈影响。随着相对宽度增加，波浪反射最初下降——意味着向海面反弹的能量减少——随后又回升。在某些设置下，尤其是Model-D，反射变得极低，而结构内部的能量损耗显著增加，表明波浪并非通过反射被抑制，而是被转化为腔体内的空气运动和湍流。

突出方案：缓斜后壁带来强大效果

在四种形状中，Model-D——具有长斜后壁和适中前开口深度——表现最为优越。在具有代表性的深水条件下，它结合了低反射、高能量耗散以及腔体内强烈的气压波动。实际意义是，较小且平缓的波浪能够穿过结构后方，而来波中相当一部分能量被转化为气动力并进而成为电能。研究人员估算，全尺寸装置在类地中海海况下连续输出数千瓦电力，足以为航标灯、环境传感器或小型海水淡化装置供电，同时减轻对船舶和码头的波浪冲击。

这对未来海岸意味着什么

对非专业读者而言，结论很直观：通过精心设计浮动防波堤并加入简单的空气驱动涡轮，可以建造既能保护海岸又能安静发电的结构。这里测试的优化斜壁设计在多种海况下表现良好，表明它可适配许多半受护的海湾和港口入口。尽管仍需在更大型波槽中以及不规则、风暴波浪条件下进行更多测试，这项工作指向了一个未来——海岸防御不再是单一功能，而是兼顾保护社区并利用海浪起伏为其供能的双重用途。

引用: Hamed, B., Elkiki, M., Abdellah, S. et al. Assessing the impact of novel hybrid floating breakwater-WEC systems on hydrodynamic performance and sustainable energy outputs. Sci Rep 16, 7189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37290-8

关键词: 波浪能, 浮动防波堤, 摆动式水柱, 海岸保护, 可再生能源