CN108442311A - 一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤 - Google Patents

一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤 Download PDF

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Abstract

一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤属于海洋能利用领域，由多个浮式防波堤模块组成，模块间弹性连接，实现各模块独立运动并发电，又能够组成浮式防波堤发电牧场。单个浮式防波堤模块包括方箱、发电装置、连接装置和锚泊系统。多个模块间通过连接装置弹性连接。波浪运动导致浮体运动，引起发电舱内流体运动，使得舱室上部气压不断变化，由于涡轮机两侧气压不同，形成往复气流，气体通过空气涡轮机将气体的动能转化成机械能，再通过发电机转化成电能。本发明融合了浮式防波堤和波浪能发电装置，既实现对离岸海洋结构物的掩护，又能够产生电能，具有可移动可重复、不受水深和地质限制等优点；本发明结构简单，易于生产与维修，对海洋环境无污染，有广阔的应用前景。

Description

一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤
技术领域
本发明属于海洋能利用领域，涉及一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置的浮式防波堤。
背景技术
我国有着广阔的海域和漫长的海岸线，拥有非常丰富的波浪能资源，年平均波力功率大于3J/m，理论波浪能储量约为7000万KW左右。近年来，我国重视可再生能源的研究，其中波浪能发电已作为我国可再生资源研究和应用的重要一部分，能极大方便的为远离海岸的岛屿和海上平台提供电力资源。波浪能发电与其它能源相比，具有清洁环保、储量大、受时间和空间影响小且能流密度比较大等优点。
目前波浪能发电技术主要分为以下几种：振荡水柱技术、浮子式技术和越浪技术。振荡水柱技术是通过波浪的运动带动气室内水体做往复运动，进而改变气室中的气体压力，由气体压力差的变化驱动空气涡轮机进而带动发电装置转换成电能。浮子式技术则是通过波浪带动浮子的往复运动来驱动机械系统或者液压系统从而把波浪能转化成机械能进而带动发电机发电。越浪式技术是利用收缩波道等装置把波浪引入到较高水位所产生的水位差来带动机轮组发电。
现有波浪能发电技术的不足：大多数波浪能发电装置在实际应用中成本较高，能量转化效率有待提高，商业化程度仍需提高。上述波浪能发电技术中振荡水柱技术相对发展较成熟，欧洲多个发电厂采用该技术，依靠海岸线，提取靠近海岸的波浪实现波浪能近岸发电。但是由于近岸波浪破碎较多，能量耗散较大，可提取波能有限。此外上述结均为混凝土结构，在建造和维护过程中，对近岸和沿岸海洋生态有一定影响。
浮式防波堤作为海洋工程中一类重要的防波堤结构，与其他传统防波堤相比，可适应水深较大、地基软弱、大潮差和引入水体交换等情况，具有优异的经济性和生态环保性，在港口海岸工程、海洋工程以及海水养殖等诸多领域具有广阔应用前景。
我国在波浪能发电技术领域起步较晚，且从“十一五”开始我国正在大力开发深海能源，并强调可持续性开发，因此如何实现深海波浪能发电及其绿色开发成为新的热点和经济关注点。目前国内外尚没有能够将波浪能转换和防浪消波功能相结合的浮式防波堤系统。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种便于托运和拆装，且将波浪能发电技术和防浪消波功能相结合的无环境污染的具有波浪能转换装置的浮式防波堤。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤，由多个浮式防波堤模块组成，浮式防波堤模块之间弹性连接，实现各模块单元独立运动并发电的同时，又能够组成浮式防波堤发电牧场；且浮式防波堤模块之间的弹性连接可以避免在波浪运动中模块之间碰撞引起的损坏。所述的每个浮式防波堤模块都是独立的结构，都可以完成个体发电，独立正常运转。单个浮式防波堤模块包括方箱1、发电装置、连接装置、锚泊系统。多个浮式防波堤模块之间通过连接装置弹性连接。
所述的发电装置位于方箱1内部，包括发电舱3、发电舱隔板4、空气涡轮机6、发电机7。根据服役海域的海况条件，采用发电舱隔板4将发电舱3分成多个不同比例的舱室5，避免因外场波浪晃动引起发电舱3内液体晃荡共振而导致发电舱内波浪能损失，各舱室5底部连通。所述的发电舱隔板4的下端部为圆弧型，在外场波浪运动中减少液体在通过发电舱隔板4下端部时产生的涡脱，来降低波浪的能量损失。所述的舱室5上方设有通气孔1c，通气孔1c的位置设有与发电机7相连的空气涡轮机6；外场波浪的运动导致方箱1运动，方箱1的运动引起舱室5内液体的晃动，导致其上部气室气压不断变化，由于空气涡轮机6两侧气压不同，气体通过通气孔1c进出形成往复气流，通过空气涡轮机6将气体的动能转化成转轴的机械能再通过转子在磁场中运动最终转化成电能，电能可以储存在蓄电池8中。
所述的舱室5上方还设有上部圆孔1d，上部圆孔1d的位置设有与进排水管道10相连的水泵11，水泵11可及时对舱室5内液体高度(水面线9)进行控制，避免所部署的海域条件变化导致发电舱3内液体的晃动共振问题，同时在极端天气也可以及时降低液位高度或将液体全部排出，防止液体损伤发电装置，或者可以直接托运到有掩护的港区避险，也利于防波堤的托运和安装。
所述的连接装置位于方箱1侧面，包括固定锚链12、凹形钢板13、橡胶圈5a、连接锚链5b。所述的凹形钢板13套接在橡胶圈5a上，并通过螺栓14固定在方箱1侧面；所述的固定锚链12固定在方箱1两侧的端角处，通过连接锚链5b将两个模块连为一体，用于约束橡胶圈5a的大幅度移动，同时也能够提高整个浮式防波堤的整体稳定性和整体消波能力。
所述的锚泊系统包括锚链15，设置在方箱1底板的端角处，采用八字形布置，锚链15由链和钢丝绳组成，应用吸力锚固定于海床之上，对所部署的海域地质条件适应性较强。
本装置波浪发电系统的原理：外场波浪的运动导致方箱1运动，方箱1运动引起舱室5内流体运动，导致舱室5上部气室气压不断变化，由于空气涡轮机6两侧气压不同，气体通过通气孔1c进出形成往复气流，(如：当舱室5内自由液面上升时，舱室5内气体受到挤压，气体体积减小，气体压力变大，这使得通气孔1c两侧压力不同，气体从通气孔1c压力大的一端向压力小的一端运动，从而实现舱室5内液体的动能转化成气室内的气体的动能；反之，当舱室5内的自由液面降低时，气室内的气体体积增加，气体压力变小，气体从通气孔1c外侧向气室内流动)。气体通过空气涡轮机6(图2)时，将气体的动能转化成转轴2b的机械能，再通过转轴2b带动转子2c在电磁场内运动，将转子2c的机械能最终转化成电能，实现从海域中将波浪能提取为电能，电能可以储存在蓄电池8中。
本发明的有益效果：
(1)本发明实现了浮式防波堤和波浪能发电的融合，既可以实现对深水海上施工现场、海上军用机动码头水域、离岸人工岛、深海养殖网箱的掩护，具有可移动性、可重复使用、不受水深和地质限制等优点，又可以产生电能，满足基本电力需求。该装置甚至不受极端天气的影响，可以提供日常电力保障。
(2)本发明结构构造简单，易于生产，维修，也便于托运和安装并具有灵活性。大量模块连接亦可形成大规模深海发电牧场，且对环境没有任何污染和影响，绿色环保节能，有着较广阔的应用前景。
附图说明
图1为单个发电装置系统平视横剖面；
图2为发电机组装置横剖面；
图3为单个浮式防波堤模块平视横剖面；
图4为单个浮式防波堤模块俯视图；
图5(a)为浮式防波堤之间连接装置主视图；图5(b)为浮式防波堤之间连接装置主视图；
图中：1方箱，2方箱的上部空间，3发电舱，4发电舱隔板，5舱室，6空气涡轮机，7发电机，8大容量蓄电池，9水面线，10进排水管道，11水泵，12固定锚链，13凹形钢板，14螺栓，15锚链，1a发电舱中的液体，1b往复气流，1c通气孔，1d上部圆孔，2a涡轮机扇叶，2b转轴，2c转子，2d磁场装置，5a橡胶圈，5b连接锚链。
具体实施方式
下面结合说明书附图对发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤，由多个浮式防波堤模块组成，浮式防波堤模块之间通过弹性连接，实现各模块单元运动独立性的同时，又能够组成浮式防波堤发电牧场；且浮式防波堤模块之间的弹性连接可以避免在外场波浪运动中模块之间的碰撞引起的损坏。所述的每个浮式防波堤模块都是独立的结构，都可以完成个体发电，独立的正常运转，单个浮式防波堤模块包括方箱1、发电装置、连接装置、锚泊系统。多个浮式防波堤模块之间通过连接装置弹性连接，方箱的上部空间2为封闭空间，能够有效避免波浪和漂浮物等外部环境因素对其内部装置设施的影响，使其安全正常工作运行，如图3所示。
所述的发电装置位于方箱1内部，单个发电装置包括发电舱3、发电舱隔板4、空气涡轮机6、发电机7，如图1所示。根据服役海域的海况条件，采用发电舱隔板4将发电舱3分成多个不同比例的舱室5，避免由外场波浪晃动引起的发电舱3内液体晃荡共振而导致发电舱内波浪的能量损失，各舱室5底部连通，水面线9位于舱室5内部。所述的发电舱隔板4的下端部为圆弧型，减少液体通过发电舱隔板4下端部产生的涡脱，来降低波浪的能量损失提高电能输出。所述的舱室5上方设有通气孔1c、上部圆孔1d。所述的通气孔1c的位置设有与发电机7相连的空气涡轮机6；外场波浪的运动导致方箱1运动，方箱1运动引起舱室5内液体的晃动，导致其上部气室气压不断变化，由于空气涡轮机6两侧气压不同，气体通过通气孔1c进出形成往复气流，气体通过空气涡轮机6时，带动空气涡轮机6中涡轮机扇叶2a转动，此时气体的动能转化为转轴2b的机械能，转轴2b带动发电机7中的转子2c在磁场装置2d中运转进行发电，将气体的动能最终转化成电能，电能可以储存在蓄电池8中，如图2所示。
所述的上部圆孔1d的位置设有与进排水管道10相连的水泵11，水泵11可及时对舱室5内液体高度(水面线9)进行控制，避免所部署的海域条件变化导致发电舱3内液体晃动共振，同时在极端天气也可以及时降低液位高度或将液体全部排出，防止液体损伤发电装置，或直接托运到有掩护的港区避险，又利于防波堤的托运和安装。
所述的连接装置的弹性结构位于方箱1侧面，包括橡胶圈5a、固定锚链12、凹形钢板13和连接锚链5b，如图5(a)、5(b)所示。所述的凹形钢板13套接在橡胶圈5a上，并通过螺栓14固定在方箱1侧面；所述的固定锚链12固定在方箱1两侧的端角处，通过连接锚链5b将两个模块连为一体，用于约束橡胶圈5a大幅度移动，同时也能够提高整个浮式防波堤的整体稳定性和整体消波能力。凹形钢板13的横截面为凹字形，在凹字形两端处延伸处一段水平钢板，凹形钢板13在水平钢板处通过插入螺栓14固定，由于采用螺栓14连接，可以方便更换凹形钢板13和橡胶圈5a。
所述的锚泊系统包括锚链15，设置在方箱1底板的端角处，采用八字形布置，锚链15由链和钢丝绳组成，应用吸力锚固定于海床之上，如图4所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤，其特征在于，所述的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤由多个浮式防波堤模块组成，浮式防波堤模块之间弹性连接，实现各模块单元独立运动并发电的同时，又能够组成浮式防波堤发电牧场；所述的每个浮式防波堤模块都是独立的结构，都可以完成个体发电；单个浮式防波堤模块包括方箱(1)、发电装置、连接装置和锚泊系统；多个浮式防波堤模块之间通过连接装置弹性连接；
所述的发电装置位于方箱(1)内部，包括发电舱(3)、发电舱隔板(4)、空气涡轮机(6)、发电机(7)；根据服役海域的海况条件，采用发电舱隔板(4)将发电舱(3)分成多个不同比例的舱室(5)，避免因外场波浪晃动引起发电舱(3)内液体晃荡共振而导致发电舱(3)内波浪能损失，各舱室(5)底部连通；所述的舱室(5)上方设有通气孔(1c)、上部圆孔(1d)，通气孔(1c)的位置设有与发电机(7)相连的空气涡轮机(6)；波浪起伏导致方箱(1)运动，方箱(1)运动引起舱室(5)上部气室气压不断变化，由于空气涡轮机(6)两侧气压不同，气体通过通气孔(1c)进出形成往复气流，通过空气涡轮机(6)将气体的动能最终转化成电能；
所述的上部圆孔(1d)的位置设有与进排水管道(10)相连的水泵(11)，水泵(11)用于调节舱室(5)内的液体高度，避免所部署的海域条件变化导致发电舱(3)内液体的晃动共振问题，同时在极端天气也可以及时降低或排空液体，防止液体损伤发电装置，或者可以直接托运到有掩护的港区避险；
所述的锚泊系统包括锚链(15)，设置在方箱(1)底板的端角处，应用吸力锚固定于海床之上；
所述的连接装置位于方箱(1)侧面。
2.根据权利要求1所述的一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤，其特征在于，所述的连接装置的弹性结构包括固定锚链(12)、凹形钢板(13)、橡胶圈(5a)、连接锚链(5b)；所述的凹形钢板(13)套接在橡胶圈(5a)上，并通过螺栓(14)固定在方箱(1)侧面；所述的固定锚链(12)固定在方箱(1)两侧的端角处，通过连接锚链(5b)将两个模块连为一体，用于约束橡胶圈(5a)大幅度移动，同时也能够提高整个浮式防波堤的整体稳定性和整体消波能力。
3.根据权利要求1或2所述的一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤，其特征在于，所述的发电舱隔板(4)的下段为圆弧型，在外场波浪运动中减少液体在通过发电舱隔板(4)下端部时产生的涡脱，从而减小波浪的能量损失。
4.根据权利要求1或2所述的一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤，其特征在于，所述的锚链(15)由链和钢丝绳组成，采用八字形布置。
5.根据权利要求3所述的一种可移动的具有振荡水柱式波浪能转换装置浮式防波堤，其特征在于，所述的锚链(15)由链和钢丝绳组成，采用八字形布置。
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