融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构及方法与流程

本发明涉及海洋工程技术、可再生能源利用及海底数据中心技领域，尤其涉及融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构及方法。

背景技术：

1、防波堤是沿海港口与海岸工程中广泛应用的重要防护构筑物，其主要功能在于抵御波浪侵袭、维持港内水域的泊稳条件。传统防波堤功能单一，仅具备消浪防护作用。随着海洋工程向深水化、离岸化方向发展，抛石斜坡式防波堤在水深较大时其断面尺度急剧增大，导致工程材料用量呈指数级增长，经济性显著下降。直立式防波堤结构，如重力式沉箱结构、圆筒形结构等，因其结构受力性能优越、施工工业化程度高、适应大水深能力强，已逐渐成为深水海域防波堤的主流结构形式，但其材料用量及经济利用价值仍未得到有效提升。

2、近年来，随着海洋可再生能源开发与海洋工程技术的融合日益深入，业界提出了“防波堤+波浪能”的耦合设计思路，旨在使防波堤在发挥消浪功能的同时，将波浪能转化为电能。例如，中国专利申请cn119980935a公开了一种波浪能发电装置-防波堤集成系统，其由直立透空重力式防波堤和液压式波浪能发电装置构成，在防波堤迎浪侧集成该发电装置。中国专利cn120759223a公开了一种嵌入适应潮差变化振荡水柱式波浪能发电装置的防波堤，其在防波堤本体迎浪面间隔嵌入安装多个振荡水柱式波浪能发电装置，并利用驱动系统调节其高度以适应潮差变化。此外，梳式防波堤与振荡浮子波能装置的集成系统亦已被提出，浮子布置于消浪室内做垂荡运动以驱动能量输出系统。

3、在海上光伏与防波堤融合方面，已有少数研究提出在防波堤背浪侧或近岸水域架设光伏板的构想。在海底数据中心领域，中国专利申请cn121138355a公开了一种组合式海底数据中心用的防波堤系统，其包括蜂窝防护层、消能中腔层、支撑墙体层和导流调节机构，用于实现对海底数据中心的消浪和散热功能。另有专利提出利用波浪能和潮汐能为海底数据中心供电的散热系统。

4、然而，上述现有技术仍存在以下未被克服的缺陷：

5、其一，现有海底数据中心防波堤系统虽考虑了消浪防护和散热功能，但未将波浪能发电功能有机集成于防波堤结构中，海底数据中心的电力供应仍严重依赖岸基电网或储能装置，缺乏就地取材、自给自足的清洁能源供给方案，未能实现能源的本地化生产与消耗。

6、其二，现有技术中，海底数据中心部署于防波堤掩护范围内时，两者在空间布局、结构受力、热管理及能量管理等方面缺乏一体化设计，导致建设成本高、空间利用率低、能源利用效率差。特别是在直立式沉箱结构具备充裕内部空间的条件下，现有技术未能提出将该空间用于数据中心与发电、储能系统协同布置的系统性方案，未能充分发掘沉箱结构的空间复用潜力。

7、其三，现有技术严重忽视了防波堤堤顶平台的复合利用价值。虽有极个别方案提及在防波堤附近外挂光伏板，但均未将堤顶平台作为防波堤主体结构的固有界面进行光伏一体化集成，导致该光照条件优越的承载面未被有效转化为清洁电力。

8、其四，现有技术中防波堤的消浪效率通常固定不变，无法根据不同海况进行动态调整。同时，光伏发电受制于日照条件，波浪能发电受制于海况条件，两者单独作为供电源时均存在间歇性缺陷，即波浪能的连续基荷特性与光伏的日间峰值特性无法实现互补调度，无法匹配海底数据中心连续且波动性较小的负载需求。因此，在静浪期或夜间时段，数据中心仍需依赖外部电网或大容量储能装置，无法实现离网自洽与近零碳运营，清洁能源整体利用率较低。

9、其五，现有海底数据中心及水下密封舱的散热方案存在明显不足。一方面，单纯依赖海水强制循环冷却虽散热效率较高，但需配置水泵、管路和热交换器等主动设备，增加系统复杂性和能耗，且一旦水泵或管路发生故障，整个散热系统将陷入瘫痪。另一方面，水下密封舱的结构材料选择面临两难：铝合金导热系数高但耐海水腐蚀能力差，钛合金耐腐蚀性能优异但导热系数极低，严重影响内部热量向舱壁的传导。现有技术中未有任何方案提出将沉箱混凝土结构本身作为被动散热体，通过高导热界面材料将数据中心热量直接传导至沉箱外壁并由海水自然对流带走，以实现“零能耗”被动散热。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供了融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构及方法。

2、为达上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明第一方面提供了融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构，包括防波堤主体结构、波浪能多机制捕获转换系统、光伏发电系统、海底数据中心舱室、多源能量管理与热管理系统、被动式墙壁导热散热系统以及智能协同控制系统，

4、其中，所述防波堤主体结构采用直立式沉箱结构，包括迎浪侧消浪结构、中部承重结构、背浪侧防护结构和堤顶安装平台，所述迎浪侧消浪结构采用透空式或梳式结构形式，其上设置有多个波浪能捕获腔室和导流通道；

5、所述海底数据中心舱室设置于所述防波堤主体结构的内部或背浪侧的基础平台上，包括若干个密封的数据方舱，方舱内布置有服务器机柜、散热管和通信设备；

6、其中，通过所述散热管组成海水冷却循环单元，利用流经防波堤的海水对数据方舱进行热交换冷却。

7、进一步的，在融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构中，所述堤顶安装平台为宽阔平坦的混凝土或钢结构平台，用于布设光伏发电阵列及相关电气设备。

8、进一步的，在融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构中，所述波浪能多机制捕获转换系统，采用振荡水柱式波浪能发电单元，设置于所述迎浪侧消浪结构的波浪能捕获腔室内，包括气室、空气透平及发电机，利用波浪进出气室引起的空气往复流动驱动空气透平旋转发电。

9、进一步的，在融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构中，所述光伏发电系统设置于所述防波堤主体结构的堤顶安装平台上，包括光伏阵列、光伏逆变器和汇流箱，所述光伏阵列沿堤顶纵向连续布置或间隔布置，利用堤顶无遮阳遮挡的宽阔光照面进行光伏发电。

10、进一步的，在融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构中，其中，所述数据方舱与防波堤主体结构之间设置有隔振与密封层。

11、进一步的，在融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构中，所述多源能量管理与热管理系统包括多源电能汇集与分配单元、储能单元、海水冷却循环单元以及多能互补协同调度模块。

12、进一步的，在融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构中，所述被动式墙壁导热散热系统设置于海底数据中心舱室与防波堤主体结构之间，包括导热贴片阵列、导热界面材料和沉箱外壁散热翅片，所述导热贴片阵列铺设于数据方舱的内壁与沉箱混凝土墙壁之间，采用高导热复合金属材料制作，所述导热界面材料填充于服务器机柜与舱壁之间以及舱壁与导热贴片，所述沉箱外壁散热翅片设置于防波堤主体结构背浪侧的外壁面，与海水直接接触。

13、进一步的，在融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构中，所述智能协同控制系统包括波浪监测传感器、光照强度传感器、水位传感器、发电功率监测模块、光伏发电监测模块、数据中心负载监测模块、温度传感器阵列和中央控制器，用于实时监测环境条件、发电状态、散热状态及数据中心运行状态，并通过调节各发电单元的工作模式、光伏阵列的倾角、导流通道的开度以及双模散热模式切换。

14、本发明第二方面提供了融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构的控制方法，应用于任一项所述的融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构，包括以下步骤：

15、获取海底数据中心舱室内的实时温度数据信息，并初始化海水冷却循环单元的工作参数信息，根据所述海水冷却循环单元的工作参数信息进行控制；

16、经过预设时间之后，统计海底数据中心舱室内的降温速率，并设置降温速率阈值以及海底数据中心舱室内的最高上限温度，以降温速率阈值以及海底数据中心舱室内的最高上限温度作为约束条件；

17、引入遗传算法，基于所述遗传算法进行遗传迭代，当海底数据中心舱室内的降温速率以及海水冷却循环单元的工作参数信息满足约束条件时，按照当前海水冷却循环单元的工作参数信息进行控制；

18、当海底数据中心舱室内的降温速率以及海水冷却循环单元的工作参数信息不满足约束条件时，调控当前海水冷却循环单元的工作参数信息，基于所述遗传算法进行遗传迭代。

19、进一步的，在融合海底数据中心和波浪能发电的防波堤结构的控制方法中，还包括：

20、在数据舱周围布设垂直阵列式高密度温度传感器链，实时获取高分辨率海水温度垂直剖面，通过梯度算法在线识别温跃层位置，计算温度随深度的变化率，将变化率最大的深度区间定义为温跃层核心区，同时追踪温跃层的上下迁移轨迹，记录其迁移速度和方向；

21、对温度垂直剖面的时间序列进行本征正交分解，将温度场分解为若干空间模态和对应的时间系数，基于时间系数的历史序列，采用自回归积分滑动平均模型，预测未来预设时间内温跃层位置；

22、基于温跃层预测结果，前瞻性规划取水策略，当预设时间内表层温水层增厚导致温跃层上移时，提前增加深层取水比例，预冷冷却水系统，储备冷量；

23、当预设时间内冷水源加深导致温跃层下移时，提前减少深层取水比例，转为中层取水，降低泵功消耗；

24、当温跃层频繁振荡时，采用深度区间取水策略，同时开启温跃层上方和下方的多个取水口，通过混合保证出水温度稳定。

25、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

26、1. 与现有技术中海底数据中心依赖岸基电网供电的方案相比，本发明具有通过波浪能发电单元与光伏发电单元的多源互补协同调度，从而实现对数据中心就地稳定供电并降低对外部电网依赖的目的的优点。本发明将波浪能发电单元设置于迎浪侧消浪结构内，发电的同时消耗了波浪能量，增强了防波堤的消浪效果，将光伏阵列设置于堤顶平台，并将两者产生的电能通过多源电能汇集与分配单元进行汇集、整流、稳压后直接分配至数据中心舱室，提供一种同时具有就地发电和就地消纳功能的能源自洽型结构，显著降低了单位发电成本和数据中心运营成本，实现近零碳排放运营和离网自洽，具有显著的全生命周期经济优势。

27、2. 与现有技术大多仅实现防波堤与单一能源设施的二元集成相比，本发明将防波堤的消浪防护功能、海底数据中心的数据存储处理功能、波浪能发电功能及光伏发电功能有机融合于一体，海底数据中心舱室集成于防波堤主体结构内部，光伏阵列集成于堤顶平台，充分利用了直立式沉箱结构空间，无需单独占用海底或陆地空间，结构紧凑，施工和维护方便，实现了海洋空间资源的水面-水体-水底三维立体高效利用，显著降低了单独建设各功能设施的成本和海洋空间占用。

28、3. 与现有技术未有效利用堤顶空间或仅外挂光伏板的方案相比，本发明具有通过将光伏阵列作为防波堤主体结构的固有界面进行一体化设计，利用堤顶无遮挡的天然光照条件发电，提供一种同时具有发电功能和结构承载功能的光伏-防波堤一体化集成方案，填补了现有防波堤堤顶空间未被有效利用的技术空白。

29、4. 与现有技术中单一波浪能供电存在波浪间歇性、单一光伏供电存在昼夜间歇性的方案相比，本发明通过“波浪能+光伏+储能”的多源互补和智能协同调度，有效平抑了单一波浪能发电的波浪间歇性和单一光伏发电的昼夜间歇性的双重波动，为海底数据中心提供了稳定、可靠、不间断的绿色电力供应，储能容量需求较单一电源方案大幅降低。

30、5. 与现有技术散热依赖主动液冷且出现故障系统功能即瘫痪的方案相比，本发明通过“被动壁导+主动液冷”双模协同散热架构实现常态零能耗冷却与故障安全冗余。本发明将导热贴片阵列、导热界面材料和沉箱外壁散热翅片在热传导路径上进行组合，使沉箱混凝土结构本身作为巨大被动散热体，常态下无需水泵等主动设备，冷却能耗降低80%以上；同时以海水循环冷却作为峰值负载增强层，并设置双模切换控制逻辑，即使主动冷却完全失效，被动散热仍能维持数据中心基本运行温度，大幅提升系统可靠性。