CN108397339A - 一种适用淤泥质海域的防波堤兼浮动式振荡水柱发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特别适用于淤泥质海岸地区的防波堤兼可浮动振荡水柱式波浪能转换装置。本发明由多个防波提结构单元组成，每个防波堤结构单元由桩基础为了适应淤泥质海域地基承载力不足的情况，采用由单直桩和叉桩组成的桩基础，主体结构采用圆筒体，内部采用扩张型筒壁，圆筒体结构的前端设计成反弧形前坡，用来实现防波堤防波消浪的功能。上部主体结构与下部基础之间通过弹簧实现整个振荡水柱装置的上下浮动。本发明在保证发挥防波堤原有的防波挡浪功能的基础之上，同时实现波浪能→机械能→电能的转化与储存，绿色环保，环境友好性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型防波堤，具体涉及一种适用于淤泥质海域的防波提兼浮动式OWC装置。
背景技术
人类的生产生活、社会的繁荣进步都离不开能源这一重要的物质基础。随着世界经济的快速发展、世界人口的日益膨胀和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，将会导致日趋激烈的能源争夺，因此开发优质的可替代的新能源成为人类实现可持续发展的必由之路。
蓝色的海洋广袤无垠，独占地球70%的表面，坐拥全球96%的水量，蕴藏着富饶的绿色可再生能源。海洋能源形形色色、姿态各异，通常包括潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等。其中，波浪能因其在转换过程中受环境影响最小且以机械能形式存在的独特魅力，是海洋能利用中品位最高且最受重视的能源形式之一。合理地开发和利用波浪能，对缓解能源危机、减少对传统化石燃料的依靠、改善环境污染等问题具有重要的现实意义，全世界各国政府，尤其是海洋波浪能资源丰富的国家和地区，大力鼓励海洋波浪能发电技术的发展。在中国附近海域的波浪能密度相对较低，但在“21世纪海上丝绸之路”的大背景下，合理布置波浪能转换装置、实现有效开发利用波浪能资源将为远离大陆的南海诸岛礁建设在能源供应上提供切实可行的解决办法。
经过上世纪70年代对多种波浪能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用性示范研究，波浪发电技术已逐步接近实用化水平，已开发的几种比较典型的波浪能发电装置有：振荡浮子式 (Buoy)、摆式 (Pendulum)、振荡水柱式 (OWC)、海蛇式(Pelamis)等。振荡水柱式（OWC）波能装置，也称之为空气透平式波浪能发电装置，是目前应用最广泛的波浪能发电技术。
对于海上防波堤设计方面，由于淤泥质海床地基容易发生沉降，一般的直立式防波堤和斜坡式防波堤虽然应用广泛，但是对于地基软弱这种恶劣环境适应性较差，再加上水深条件不够等情况共同影响，使得上述所提及到的两种防波堤形式在应用方面受到限制。
综合振荡水柱式发电装置和淤泥质海岸防波堤设计情况，急需一种可以既可用于软土地基和水深较大的，较为恶劣环境下的防波堤，兼可以实现利用波浪能转换为电能的发电装置。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种适用于淤泥质海域的防波提兼浮动式OWC装置，其主要目的在于提供一种适用于极端恶劣的海域地质条件下可利用振荡水柱原理实现波浪能发电的透空式防波堤，即在软土地基海域中，设计出了一种将振荡水柱波浪能转换装置与透空式防波堤相结合的新型防波提。
对于该新型防波堤，为了兼顾波能转换装置的能量利用效率和防波堤的防浪消浪性能，对于该装置的结构形式的设计、施工过程的把握进行优化，能够在一定程度上解决因为OWC装置的加入使得防波堤结构的整体稳定性受到严重影响的问题，提高了防波提的综合效益和利用率。
一种适用于淤泥质海域的防波堤兼浮动式振荡水柱发电装置，由多个防波堤结构单元组成，每个防波堤结构单元由桩基础包括一根单直桩和一对叉桩、水平承台、滑轮、锚绳、系绳柱、弹簧、关节轴承、张紧套铜螺母、反弧形前坡、圆筒型外壳、内扩张型筒壁、气流通道、空气透平、发电机组、气室组成。所述防波堤结构单元逐一间隔一定距离布置，每个结构单元的间距取为L；所述桩基础在施工期中通过打桩的方式打入淤泥质海域泥面以下一定深度，桩尖位于泥面以下持力层厚度2～3m；所述一根单直桩位于结构的迎浪侧，下部伸入泥面以下满足持力层深度的要求，上部通过现浇的方式伸入预制的混凝土水平承台中；所述一对叉桩位于结构的被浪侧，下部伸入泥面以下满足持力层深度的要求，上部通过现浇的方式伸入预制的混凝土水平承台上，叉桩的倾角设计为1:3，用来承载整个防波堤水平方向受到的波浪荷载；所述水平承台采用混凝土预制完成，主要用于布置上部结构；所述滑轮固定在水平承台台面上，选用滑轮的摩擦系数不应过大；所述锚绳用来连接气室和水平承台，使得整个装置成为一个整体，保证结构的稳定性；所述系绳柱固定在水平承台上，用来拴系锚绳；所述弹簧通过锚绳连接在水平承台的固定滑轮上，用来实现装置的上下振动；所述关节轴承固定在气室下方，锚绳通过关节轴承连接气室；所述张紧套铜螺母置于锚绳上，用来减弱锚绳受到的扰动，不影响整体；所述反弧形前坡位于气室的前壁，采用1/4圆弧面，用来减少越浪量并促使更多的波能集中于水体交换通道，提高波能转换效率；所述圆筒形外壳是气室的外部结构，同时连接有反弧形前坡，在外观上呈现圆筒形状；所述内扩张型筒壁呈现圆台状结构，由上至下半径逐渐扩大；所述气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于内扩张型筒壁的上端；所述空气透平位于内扩张型筒壁上方预留的空气通道内；所述发电机组位于空气透平的上方，于空气透平直接连接；所述气室由内扩张型筒壁与上方预留的空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，随着水体的挤进与排出，密闭气室空间的大小也随之发生变化。
作为优选，所述各防波堤结构单元逐一间隔一定的距离布置，圆筒中心之间的距离设为L，该距离L应满足L=(1.05～1.20)D,其中，D为圆筒外壳的直径大小。
作为优选，所述的气室在圆筒形体内的内扩张筒壁之间自水面起形成密闭空间，气流交换的唯一通道就是位于上方的空气透平处。
作为优选，所述的反弧形前坡与圆筒形外壳共同浇筑，使得上部的OWC装置形成一个整体，且一定程度上防止较多的波浪直接越过该装置，造成可利用的波浪能的严重损失。
作为优选，所述的桩基础由强度C80混凝土预制而成，承载能力满足极限承载力要求，以保证结构的整体稳定性。
作为优选，所述的内扩张型筒壁能够使得水体压缩气室内的空气的过程中提高气体的紊动频率，加速气体通过气流通道作用在空气透平上，能够在单位时间内促使更多的气流量通过空气透平进而极大地提高波浪能转换的效率，使得较多的能量被储存起来。
作为优选，所述弹簧的弹性系数的选取应着重考虑上部结构的自重，同时又保证上部结构在上下振荡过程中应该具有较小的幅度，装置和气室内水体的共振效果达到最佳。
作为优选，所述圆筒体直径以及厚度的选择、沉入水下的深度的确定应该结合工程地质条件和海洋水文资料确定。
一种适用于淤泥质海域的防波堤兼浮动式OWC装置的实现过程如下：
①防波堤的下部基础和上部结构的施工
所发明的防波堤特别适用于海底地基为软土的区域，由于软土地基承载力不足，防波堤无法直接布置于软基上。整个防波堤兼OWC波浪能装换装置，主要由下部基础以及上部结构两个部分组成。下部结构的稳定性以及承载能力的大小完全决定了防波提的整体的稳定性。下部基础采用桩基础，每个防波提单元下部在纵向上布置一根单直桩和一对叉桩，单直桩和叉桩由强度为C80的混凝土预制而成，桩尖需要采用打桩的手段使得其位于泥面以下持力层深度以内2-3m，以保证桩的稳定性和承载力。下部基础和上部结构之间通过固定滑轮、锚绳、弹簧等连成一个整体。
②波浪作用至防波堤，反弧形前坡挡浪防止越浪
当外海的波浪传播至防波堤处时，防波堤的反弧形前坡能起到挡浪和防止波浪越过装置的作用，避免装置上方连接的发电机组受到海水的侵蚀和冲击；反弧形坡面能够在一定程度上避免波浪在遭遇直墙时造成的全反射或者反射率较高的情况出现，导致波浪能装置可提取到的波浪能效率低下。
③波浪入射，波峰波谷交替，气室内波浪能做功
波浪入射时，气室内波浪能做功有两个来源。一部分通过装置上开口的水体交换通道直接作用于气室内的气体，另一部分则是来源于反弧形前坡通过反射作用引导至水气交换通道。当波峰接近气室前壁的时候，水进入气室，推动箱内水位上升，上升的水位使得室内气压增加，气室内空气通过出入孔排出，由于出入孔孔径狭小，气体高流速喷出；而在波谷接近气室前壁的时候，水从气室内抽出，室内水位下降，下降的水位使得室内气压降低，外面的空气通过出入孔高速进入气室。在上述两种不同方向的气流运动模式中，流进流出的气体推动气室所连接的空气透平旋转，进而通过透平所连接的发电机组将波浪能转化为电能储存起来。
④弹簧伸缩，带动气室装置上下浮动
当入射波浪作用在反弧形前坡时，对整个波浪能装置在竖直方向上产生作用力，考虑到波浪水质点的周期性运动方式，该作用在装置上的力也自然具有一定的周期性。进一步地，整个气室通过穿过弹簧的锚绳与下方的水平承台相连，在呈现一定的周期性变化的竖向力的作用下弹簧发生压缩和伸长，从而带动整个气室上下振动。由于气室内水面有一个固定的波动频率，冲入气室的水碰到气室后壁被反射回来，在给定的气室尺寸条件下可以使得气室内水面振荡与整个气室的振动频率相近，共振的水面波动幅度会远远高出波浪的振幅，极大程度的提高气体的流量从而提高OWC波浪能转换系统的效率。
本发明的有益效果：
本发明最大程度上践行了“物尽其用”的原则，在保证充分发挥防波堤在海域中挡浪消浪的功能的前提之下，同时考虑将波浪能转化为电能储存起来，为人类生活社会解决能源危机提供了有力的援助，实用价值显而易见。
本发明采用桩基础与防波堤相结合的结构形式，有效地解决了淤泥质海域防波堤的施工建造问题，在某种程度上降低了施工现场的工作量和材料的消耗量，结构整体稳定性强，创新性显著。
本发明装置前端采用反弧形前坡，避免了直墙带来的波浪的全反射和反射程度较高的情况的出现，在某种程度上，该种前坡能够促进引导更多的波浪作用于气室前壁，提高波浪能转化的效率。除此以外，该前坡还具有防止越浪的功能，确保了防波堤的效用。
本发明气室内壁采用内扩张型，在空气经过气流通道作用于空气透平的过程中，能够加剧气流的紊动，提高气流通量，进而促进波浪转换效率的提升。
本发明通过设置一定弹性系数的弹簧用来实现整个装置的上下浮动，在某种条件下达到与气室内波动频率近似一致的频率，有效地提高气室内水面的波动的幅度，能够加速气体的挤压，从而使得更多的波能能够被储存起来。
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，本发明尤其适用于淤泥质海域情况，在具有良好的防波效果的前提下，同时可以实现可靠、高效的波浪能转化利用，绿色环保。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1.单直桩，2.一对叉桩组成的桩基础,3.水平承台,4.滑轮,5.锚绳,6.系绳柱,7.弹簧,8.关节轴承,9.张紧套铜螺母,10.反弧形前坡,11.圆筒型外壳,12.内扩张型筒壁,13.气流通道,14.空气透平,15.发电机组,16.气室。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的防波堤工程整体由多个防波提结构单元组成，其中每个防波堤结构单元又由一根单直桩1和一对叉桩组成的桩基础2、水平承台3、滑轮4、锚绳5、系绳柱6、弹簧7、关节轴承8、张紧套铜螺母9、反弧形前坡10、圆筒型外壳11、内扩张型筒壁12、气流通道13、空气透平14、发电机组15和气室16组成。防波堤结构单元逐一间隔一定距离布置，单元结构筒体厚度取为0.3m，外边缘直径为10m，每个结构单元的筒心间距为10.6m；每个结构单元纵向上布置的桩基础由一根单直桩和一对叉桩组成，其中一根单直桩位于迎浪侧，一对叉桩位于背浪侧，倾角为1：3，主要用来承受结构在使用过程中受到的水平荷载，两种桩的材料均选用混凝土强度等级为C80的高强混凝土预制而成，一根单直桩和一对叉桩在施工过程中均采用打桩的方式使得桩尖到达海域泥面以下持力层深度2～3m,以此来保证整体结构不至于发生较大的沉降。
水平承台采用混凝土预制完成，一根单直桩和一对叉桩均与3水平承台通过现浇的方式连接为一个整体，水平承台主要用于布置上部结构；低摩擦系数的滑轮固定在水平承台台面上，用来连接气室和水平承台的锚绳，通过滑轮将整个装置连接成为一个整体，以提高结构的稳定性。弹簧通过锚绳连接在水平承台的固定滑轮上，其主要作用就是通过装置的上下振动来实现结构与水体的共振，以此来提高能量的转化率。关节轴承固定在气室下方，锚绳通过8关节轴承连接气室；张紧套铜螺母置于锚绳上，其主要作用是降低锚绳受到扰动时对结构稳定性的影响。
反弧形前坡位于气室的前端，整体的形状呈现为1/4圆弧面，其主要作用就是最大程度的减少越浪量并促使更多的波能集中于水体交换通道，在保证防波堤发挥其防波消浪的同时提高波能转换效率。圆筒形外壳是气室的外部结构，与反弧形前坡形成一个整体，在外观上呈现圆筒形状。内扩张型筒壁呈现圆台状结构，由上至下半径逐渐扩大，在气体被挤压排出的过程中，提高气流量；气流通道位于整个装置的上方，由等径的挖孔式圆柱构成，实现气流的流通；空气透平位于内扩张型筒壁上方预留的气流通道内，与发电机组直接相连，实现波能→机械能→电能的转化；气室主要是在整个装置内部形成密闭空间，该密闭空间位于内扩张型筒壁与上方预留的气流通道的水面之间，随着水体的挤进与排出，密闭气室空间的大小也随之发生变化。
一种适用于淤泥质海域的防波堤兼浮动式OWC装置的实现过程如下：
①防波堤的下部基础和上部结构的施工
本发明的防波堤特别适用于海底地基为软土的区域，由于软土地基承载力不足，防波堤无法直接布置于软基上。整个防波堤兼OWC波浪能装换装置，主要由下部基础以及上部结构两个部分组成。下部结构的稳定性以及承载能力的大小完全决定了防波提的整体的稳定性。下部基础采用桩基础，每个防波提单元下部在纵向上布置一根单直桩和一对叉桩，单直桩和叉桩由强度为C80的混凝土预制而成，桩尖需要采用打桩的手段使得其位于泥面以下持力层深度以内2-3m，以保证桩的稳定性和承载力。下部基础和上部结构之间通过固定滑轮、锚绳、弹簧等连成一个整体。
②波浪作用至防波堤，反弧形前坡挡浪防止越浪
当外海的波浪传播至防波堤处时，防波堤的反弧形前坡能起到挡浪和防止波浪越过装置的作用，避免装置上方连接的发电机组受到海水的侵蚀和冲击；反弧形坡面能够在一定程度上避免波浪在遭遇直墙时造成的全反射或者反射率较高的情况出现，导致波浪能装置可提取到的波浪能效率低下。
③波浪入射，波峰波谷交替，气室内波浪能做功
波浪入射时，气室内波浪能做功有两个来源。一部分通过装置前端开口的水体交换通道直接作用于气室内的气体，另一部分则是来源于反弧形前坡通过反射作用引导至水气交换通道。当波峰接近气室前壁的时候，水进入1气室，推动筒内水位上升，上升的水位使得室内气压增加，气室内空气通过出入孔排出，由于气流通道孔径狭小，气体高流速喷出；而在波谷接近气室前壁的时候，水从气室内抽出，室内水位下降，下降的水位使得室内气压降低，外面的空气通过气流通道高速进入气室。在上述两种不同方向的气流运动模式中，流进流出的气体推动气室所连接的空气透平旋转，进而通过透平所连接的15发电机组将波浪能转化为电能储存起来。
④弹簧伸缩，带动气室装置上下浮动
当入射波浪作用在反弧形前坡时，对整个波浪能装置在竖直方向上产生作用力，考虑到波浪水质点的周期性运动方式，该作用在装置上的力也自然具有一定的周期性。进一步地，整个气室通过穿过弹簧的锚绳与下方的水平承台相连，在呈现一定的周期性变化的竖向力的作用下弹簧发生压缩和伸长，从而带动整个气室上下振动。由于气室内水面有一个固定的波动频率，冲入气室的水碰到气室后壁被反射回来，在给定的气室尺寸条件下可以使得气室内水面振荡与整个气室的振动频率相近，共振的水面波动幅度会远远高出波浪的振幅，极大程度的提高气体的流量从而提高OWC波浪能转换系统的效率。
以上内容仅为本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用淤泥质海域的防波堤兼浮动式振荡水柱发电装置，由多个间隔设置的防波提结构单元组成，其特征在于：所述的防波提结构单元采用由单直桩和叉桩组成的桩基础，主体结构采用圆筒体，内部采用扩张型筒壁，圆筒体结构的前端设计成反弧形前坡，用来实现防波堤防波消浪的功能；上部主体结构与下部桩基础之间通过弹簧实现整个振荡水柱装置的上下浮动。
2.根据权利要求1所述的一种适用淤泥质海域的防波堤兼浮动式振荡水柱发电装置，其特征在于：
所述桩基础在施工期中通过打桩的方式打入淤泥质海域泥面以下一定深度，桩尖位于泥面以下持力层厚度2～3m；所述单直桩有一根，位于结构的迎浪侧，上部通过现浇的方式伸入预制的混凝土水平承台中；所述叉桩有一对，位于结构的被浪侧，上部通过现浇的方式伸入预制的混凝土水平承台上，叉桩的倾角设计为1:3，用来承载整个防波堤水平方向受到的波浪荷载。
3.根据权利要求2所述的一种适用淤泥质海域的防波堤兼浮动式振荡水柱发电装置，其特征在于：
所述水平承台采用混凝土预制完成，主要用于布置上部主体结构；滑轮固定在水平承台台面上；锚绳用来连接振荡水柱装置中的气室和水平承台，使得整个装置成为一个整体，保证结构的稳定性；系绳柱固定在水平承台上，用来拴系锚绳；所述弹簧通过锚绳连接在水平承台的固定滑轮上；关节轴承固定在气室下方，锚绳通过关节轴承连接气室；所述张紧套铜螺母置于锚绳上，用来减弱锚绳受到的扰动。
4.根据权利要求1所述的一种适用淤泥质海域的防波堤兼浮动式振荡水柱发电装置，其特征在于：
所述反弧形前坡位于气室的前壁，采用1/4圆弧面，用来减少越浪量并促使更多的波能集中于水体交换通道，提高波能转换效率；所述圆筒形构成是气室的外部结构；所述内扩张型筒壁呈现圆台状结构，由上至下半径逐渐扩大；气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于内扩张型筒壁的上端；空气透平位于内扩张型筒壁上方预留的空气通道内；发电机组位于空气透平的上方，与空气透平直接连接；所述气室由内扩张型筒壁与上方预留的空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，随着水体的挤进与排出，密闭气室空间的大小也随之发生变化。
5.根据权利要求1所述的一种适用淤泥质海域的防波堤兼浮动式振荡水柱发电装置，其特征在于：设相邻圆筒体中心之间的距离设为L，该距离L的取值范围为1.05D～1.20D,其中D为圆筒体外壳的直径大小。
6.根据权利要求1所述的一种适用淤泥质海域的防波堤兼浮动式振荡水柱发电装置，其特征在于：所述的桩基础由强度C80混凝土预制而成。
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