CN106194558B - 大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置 - Google Patents

大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置，属近海工程领域。由多个大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元构成，单个发电单元逐一间隔一定距离布置，由沉入式大直径圆筒作为主体结构，位于大直径圆筒体顶端的筒顶盖板中部预留有气流通道，气流通道上方安装布置有空气透平和发电机组，大直径圆筒体位于水面下方一定距离处布置有底部开口，底部开口迎浪侧布置有支撑桩。本发明结构受力合理，在发挥防波堤原有挡浪消波功能的前提下，兼顾波浪能发电功能，尤其适用于深水强浪工况，通过防波堤堤体挡浪、孔隙消能和波浪能转化共同作用有效提高了防波堤整体结构挡浪消波的效果，绿色环保，防波堤采用透空式设计，港内外水体交换自由，环境友好性强。

Description

大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置
技术领域
本发明涉及一种新型防波堤，具体涉及一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置。
背景技术
大直径圆筒结构作为一种新型结构型式在港口、海岸及近海工程中得到了广泛的应用，国内外工程实践表明大直径圆筒结构具有施工简洁、造价低、耐久性好等特点，且能适应水深、浪大、地基较软弱的恶劣环境，是一种理想的深水防波堤结构型式。
在波浪能发电领域，振荡水柱波浪能发电装置(OWC发电装置)因其结构简单,波浪能转化过程中的能量损失少，适应范围广，可靠性强,维护简单等特点在工程领域得到了广泛的应用。OWC发电装置与近海建筑物相结合,将是未来OWC发电装置结构研究的发展方向。
在诸多已公开的技术专利中，对于直立堤等传统防波堤兼顾发电功能的关注相对较多，而对于大直径圆筒结构作为防波堤结构同时兼顾发电功能的关注较少，近海深水区设置大直径圆筒防波堤的区域波浪一般都较大，而这对于安装OWC发电装置也是十分有利的条件，在深水区波浪能丰富的波浪条件下探索大直径圆筒型防波堤建设与OWC发电装置相结合就更显得尤为必要。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置，其主要目的在于提供一种可利用振荡水柱原理实现波浪能发电的大直径圆筒型透空式防波堤，即将振荡水柱波浪能发电装置与大直径圆筒防波堤建设相结合，有效提高防波堤的综合经济效用，从增加发电效率和消能作用的角度出发，优化结构型式，提高结构的整体稳定性,解决由于OWC装置的加入使得防波堤结构的稳定性会受到影响的问题，提出适用于深水区剧烈波浪条件下最为经济的OWC型防波堤解决方案。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置，由多个大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元构成，单个发电单元由大直径圆筒体、筒顶盖板、底部开口、支撑桩、气室、空气透平、发电机组、护底块石、反滤层和回填土组成。所述发电单元逐一间隔一定距离布置，筒心间距取为L；所述发电单元由沉入式大直径圆筒作为主体结构，大直径圆筒体底端深入海床泥面线以下，竖直插入海床中；所述筒顶盖板位于大直径圆筒体顶端，与大直径圆筒体牢固不透气衔接，所述筒顶盖板中部预留有气流通道，气流通道上方安装布置有空气透平，空气透平上方直接连接至发电机组；所述气室即为筒顶盖板与大直径圆筒体内水面之间构造形成的密闭空间；所述底部开口位于水面下方大直径圆筒体上，为大直径圆筒体施工完成经扇形切割后形成的通道，所述支撑桩位于底部开口所在扇形切割面迎浪侧，上下端与大直径圆筒体竖直相接，起支撑受力和连接作用；所述护底块石布置于大直径圆筒体内底部开口下方，均匀布置满大直径圆筒体水平断面，起到防止水流淘刷的作用；所述反滤层布置于护底块石下方，起到防止回填土流失的作用；所述回填土位于反滤层和泥面线以上的大直径圆筒体内部，起到填充防波堤堤体，增强结构整体稳定性的作用。
进一步，各发电单元逐一间隔一定距离布置，筒心之间距离取为L，L应满足L＝(1.05～1.20)·d，其中，d为大直径圆筒体外边缘的直径大小；
进一步的，所述的气室在大直径圆筒体内自水面起形成密闭空间，仅气流通道处为允许气流通过；所述气流通道自筒顶盖板起上方距离y处安装布置有空气透平和发电机组，y＝(1.0～1.5)·H(H为设计波高)。
进一步的，所述底部开口位于水面下方大直径圆筒体上，为大直径圆筒体经扇形切割后形成的通道，切割高度即底部开口高度为d2，d2应取为(0.25～0.50)·h(h为设计水深)，切割角度为120°～180°，切割中线为大直径圆筒圆心与迎浪向的连线，左右两端对称布置。所述底部开口顶端高程位于水面下方距离d1处，d1应满足d1≥dmax，dmax取1.0·H和0.25·h经比较后的较大值，所述水面指的是结合工程资料后确定的设计低潮位；所述底部开口允许大直径圆筒体内外水体连通，成为波能传递的通道。设计波高指重现期为50年，波高累计率为1％的波高值，设计水深指50年一遇设计低潮位时自水面至海床泥面线之间的距离。
进一步的，所述支撑桩位于底部开口所在扇形切割面迎浪侧，为刚性结构，上下端与大直径圆筒体整体衔接，起支撑受力和连接作用，支撑桩截面为矩形，长度m＝2·a，宽度n＝1.5·a，a为大直径圆筒的厚度；
进一步的，所述筒顶盖板距离水面高度为d0，d0应满足d0≥(1.0～1.25)·H，此处水面高度指的是结合工程资料后确定的设计高潮位；
进一步的，所述大直径圆筒体直径以及厚度的选择、沉入海床深度的确定应结合工程地质条件和海洋水文资料确定。
一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置的实现过程如下：
a.波浪作用至防波堤，大直径圆筒体挡浪消能：
波浪由外海向防波堤方向推进，大直径圆筒体作为防波堤结构主体起到阻挡波浪行进的效果，发挥类似于大直径圆筒防波堤的挡浪消波功能；
b.波浪入射，波峰波谷交替，气室内波浪能做功；
底部开口允许大直径圆筒体内外水体自由交换，波浪入射作用时结构整体即等同于振荡水柱波能发电装置，当波谷到达气室外侧时，气室内水位在波峰作用下开始升高：在水位升高过程中，气室内压强增大，空气流动推动空气透平运动，继而带动发电机组发电；波谷传播至气室内侧时，水面下降，压强降低，空气反向流动，继续推动空气透平运动，带动发电机组发电；
c.波浪通过大直径圆筒体间隙传播时，孔隙消能
大直径圆筒体间隙允许波浪透过大直径圆筒体间隙向防波堤掩护区域传播，波浪透射过程中，在大直径圆筒体作用下水体向筒体间隙集中，发生部分水体透过筒体间隙传播形成射流，筒体间隙间水体运动由入射波，反射波，绕射波甚至破碎波等各种变形后叠加而成，水体与结构相互作用形成的碰撞、摩擦和绕流，造成水体紊乱效应增强，波浪能得到进一步耗散，显著降低防波堤的透射系数。
d.循环与重复过程；
在实际工况中，防波堤投入使用后不断重复过程a、b、c，循环实现波浪能发电和防波堤的挡浪消波作用。
本发明的有益效果：
1、一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置，在保证防波堤发挥原有挡浪消波功能的前提下，兼顾波浪能发电功能，适用于深水区防波堤强浪工况，填补了相关工况防波堤功能复合化利用的空白，创新性和实用性显著。
2、本发明结构单元在大直径圆筒防波堤的基础上创造性设计水流交换通道，允许圆筒体内外水体交换，同时两相邻大直径圆筒体之间留有空隙，堤身承受的波浪作用力相应减小，大直径圆筒体整体受力均匀，工作状况良好，材料性能得到充分发挥。
3、一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置，在防波堤工作时，根据能量守恒定律可有：E入射波能＝E转化为电能+E透射波能+E损耗波能+E反射波能，即入射波波能不变的前提下，通过波浪能发电增加E转化为电能，通过在筒体之间留有空隙使水体紊乱消能，一定程度上增加E损耗波能，从而显著降低E透射波能及E反射波能，确保良好的消浪效果的前提下具有较高的能量转化率。
4、本发明在工程建成投产后环保效应明显，波浪能利用绿色环保，有效提高防波堤的综合经济效用，同时材料用量省，建设成本相对较低。
5、本发明波浪能转化部分采用振荡水柱波能转化原理，工程可靠性强；本发明中各设计中尽可能减少构件与海水接触，结构耐久性强。
综上所述，本发明尤其适用于深水强浪工况，在具有良好的防波效果的前提下，能够有效减小防波堤后方的透射波高，同时可以实现可靠、高效的波浪能转化利用，绿色环保，此外，防波堤允许港内外水体交换，环境友好性强。
附图说明
图1是本发明的发电单元示意图。
图2是防波堤整体布置迎浪侧侧视图
图3是大直径圆筒体底部开口处剖视图
1.大直径圆筒体，2.筒顶盖板，3.发电机组，4.空气透平，5.气室，6.护底块石，7.反滤层，8.底部开口，9.支撑桩，10.回填土，11.气流通道
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。某防波堤工程设计采用一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置的技术方案，由多个大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元构成防波堤整体，如图1所示，单个大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元由大直径圆筒体1、筒顶盖板2、底部开口8、支撑桩9、气室5、气流通道11、空气透平4、发电机组3、护底块石6、反滤层7和回填土10组成。发电单元逐一间隔布置，大直径圆筒体1厚度为0.40m，外直径为10m，筒心间距取为10.8m；发电单元由大直径圆筒体1作为主体沉入式结构，大直径圆筒体1底端深入海床泥面线以下20m，竖直沉入至海床中，自泥面线至水面线(设计低潮位)高度为19m；筒顶盖板2位于大直径圆筒体1顶端，与大直径圆筒体1牢固不透气衔接，筒顶盖板2中部预留有气流通道11，气流通道11上方安装布置有空气透平4，空气透平4上方直接连接至发电机组3，空气透平4距离筒顶盖板2距离为5.50m，空气透平4选用Wells透平；气室5即为筒顶盖板2与大直径圆筒体1内水面之间构造形成的密闭空间；底部开口8位于水面下方大直径圆筒体1上，为大直径圆筒体1施工完成经扇形切割后形成的通道，如图2，图3所示，支撑桩9位于底部开口8所在扇形切割面迎浪侧，上下端与大直径圆筒体1竖直相接，起支撑受力和连接作用；护底块石6布置于大直径圆筒体1内底部开口8下方，均匀布置满大直径圆筒体1水平断面，采150kg～200kg块石，厚度取为0.80m，起到防止水流淘刷的作用；反滤层7布置于护底块石6下方，采用450g/㎡无纺土工布两层，起到防止回填土10流失的作用；回填土10位于反滤层7和泥面线以上的大直径圆筒体1内部，采用工程附近易得的砂性土作为回填土10，起到填充堤体，增强结构整体稳定性的作用。设计波高用3.64m，水深19m，底部开口高度为d2，d2取6.00m，切割角度为150°，切割中线为大直径圆筒体1圆心与迎浪向的连线，左右两端对称布置。底部开口8顶端高程位于设计低潮位向下距离d1处，d1取为5.0m，支撑桩9位于底部开口8所在扇形切割面迎浪侧，为钢筋混凝土预制桩结构，上下端与大直径圆筒体1整体衔接，起支撑受力和连接作用，支撑桩截面为矩形，长度m＝0.8m，宽度n＝0.6m，筒顶盖板2自离设计高潮位以上取高度为d0，d0取4.0m。
一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置的实现过程如下：
a.波浪作用至防波堤，大直径圆筒体挡浪消能：
波浪由外海向防波堤方向推进，大直径圆筒体作为防波堤结构主体起到阻挡波浪行进的效果，发挥类似于大直径圆筒防波堤的挡浪消波功能；
b.波浪入射，波峰波谷交替，气室内波浪能做功；
底部开口允许大直径圆筒体内外水体自由交换，波浪入射作用时结构整体即等同于振荡水柱波能发电装置，当波谷到达气室外侧时，气室内水位在波峰作用下开始升高：在水位升高过程中，气室内压强增大，空气流动推动空气透平运动，继而带动发电机组发电；波谷传播至气室内侧时，水面下降，压强降低，空气反向流动，继续推动空气透平运动，带动发电机组发电；
c.波浪通过大直径圆筒体间隙传播时，孔隙消能
大直径圆筒体间隙允许波浪透过大直径圆筒体间隙向防波堤掩护区域传播，波浪透射过程中，在大直径圆筒体作用下水体向筒体间隙集中，发生部分水体透过筒体间隙传播形成射流，筒体间隙间水体运动由入射波，反射波，绕射波甚至破碎波等各种变形后叠加而成，水体与结构相互作用形成的碰撞、摩擦和绕流，造成水体紊乱效应增强，波浪能得到进一步耗散，显著降低防波堤的透射系数。
d.循环与重复过程；
在实际工况中，防波堤投入使用后不断重复过程a、b、c，循环实现波浪能发电和防波堤的挡浪消波作用。

Claims (5)

1.一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元，其特征在于包括大直径圆筒体、筒顶盖板、底部开口、支撑桩、气室、气流通道、空气透平和发电机组，
所述大直径圆筒体底端竖直插入海床中；所述筒顶盖板位于大直径圆筒体顶端，与大直径圆筒体不透气衔接，所述筒顶盖板中部预留有气流通道，气流通道上方安装布置有空气透平，空气透平上方直接连接至发电机组；所述气室即为筒顶盖板与大直径圆筒体内水面之间构造形成的密闭空间；所述底部开口位于水面下方大直径圆筒体上，所述支撑桩位于底部开口所在扇形切割面迎浪侧，上下端与大直径圆筒体竖直相接；所述底部开口为大直径圆筒体经扇形切割后形成的通道，切割高度即底部开口高度为d2，d2为（0.25~0.50）·h，其中h为设计水深，切割角度为120°~180°，切割中线为大直径圆筒圆心与迎浪向的连线，左右两端对称布置；所述底部开口顶端高程位于水面下方距离d1处，d1满足d1≥dmax，dmax 取1.0·H和0.25·h经比较后的较大值，其中H为设计波高，h为设计水深。
2. 根据权利要求1所述的大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元，其特征在于所述筒顶盖板距离水面高度为d0， d0≥(1.0~1.25)·H，其中H为设计波高，所述气流通道自筒顶盖板起上方距离y处安装布置有空气透平和发电机组，y=（1.0~1.5）·H。
3.根据权利要求1所述的大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元，其特征在于所述支撑桩为刚性结构，支撑桩截面为矩形，长度m=2·a，宽度n=1.5·a，a为大直径圆筒的厚度。
4.根据权利要求1所述的大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元，其特征在于还包括护底块石、反滤层和回填土，所述护底块石布置于大直径圆筒体内底部开口下方，均匀布置满大直径圆筒体水平断面；所述反滤层布置于护底块石下方；所述回填土位于反滤层和泥面线以上的大直径圆筒体内部。
5.一种大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电装置，其特征在于由多个如权利要求1所述的大直径圆筒型透空堤兼振荡水柱波能发电单元构成，各发电单元筒心之间距离取为L，L应满足L=（1.05~1.20）·d，其中，d为大直径圆筒体外边缘的直径大小。
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