CN108999145A - 一种兼顾波浪能发电的梳式防波堤系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种兼顾波浪能发电的梳式防波堤系统，属于海洋发电领域。本发明提供的系统包括振荡水柱式和振荡浮子式波浪能发电装置以及改进的梳式防波堤系统三部分，其中，改进的梳式防波堤系统放置于海底铺设的抛石基床上，振荡水柱式发电装置(以下简称PU‑OWC)放置于沉箱迎浪测，实现波浪能向电能的转化。浮子式发电装置放置于梳式防波堤消浪室内，并固定于两个沉箱之间的横梁上，通过浮子随波浪上下运动将浮子的机械能转化为电能。本发明以改进的梳式防波堤系统作为主体结构，维护港池稳定的同时，为PU‑OWC发电装置与振荡浮子式发电装置提供固定条件。所述PU‑OWC与振荡浮子式发电装置通过将波浪能转化电能，提高系统整体消浪效果，增加结构可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种兼顾波浪能发电的梳式防波堤系统。具体涉及一种兼顾振荡水柱式与振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统，即PU-OWC&OB&CTBW系统(PU OscillatingWater Column&Oscillation Buoy&Comb Type Breakwater)，属于海洋发电领域。
技术背景
发展海洋科技是建设海洋强国的重要举措。为提高海洋能开发利用能力，推进海洋能技术产业化，拓展蓝色经济空间，国家海洋局颁布我国首个海洋能发展专项规划(以下简称《规划》)。《规划》指出推进建设海岛(礁) 可再生能源多能互补独立微网系统，具备为海岛(礁)提供持续、稳定电力供给的能力。《规划》将以显著提高海洋能装备技术成熟度为主线，着力推进海洋能工程化应用，夯实海洋能发展基础，实现海洋能装备从“能发电”向“稳定发电”转变，务求在海上开发活动电能保障方面取得实效。利用海岛(礁)周围海域波浪能等新型清洁能源是生态岛礁建设能源供给问题必要可行的解决方案。
随着沉箱防波堤与岸式波浪能发电装置的发展，国内外学者对此进行了深入的研究。 Giovanni Malara等提出一种新型U-OWC沉箱防波堤结构形式，并结合物模试验与数值模拟，验证结构形式的可靠性；李明伟等设计了一种新型PU-OWC直立式沉箱防波堤，并开展物模试验与数值模拟，探明结构形式的可靠性与水动力特性；秦辉等设计了一种带收缩水道的沉箱防波堤和OWC气室相结合的复合结构形式，采用水工物理模型试验研究，以气室内外波幅放大系数(相对波幅)、气室顶部空气点压力以及结构物前的波浪反射率作为考察参量，探讨了水道形式、入射波要素和气室的形状参数等对该复合结构工作性能的影响；吕若辰在对梳式防波堤进行稳定性测试的基础上，对防波堤展开了波能发电装置的设计和研究，确定融合振荡水柱式和水力透平式两种波浪发电技术，并结合数值模拟和物模实验，得到影响结构转化效率的重要因素；Kanoria，吴必军等分别对设有沉箱结构的垂直圆柱形浮子的绕射和辐射问题展开研究，并揭示了随沉箱直径和厚度增大的水动力特性变化规律。
梳式防波堤作为一种新型防波堤形式是将传统的方形沉箱按照一定的比例取出代之以沉箱翼板，在平面上形成梳齿状的直立式防波堤。在其间断部分与预制胸墙形成消浪室，具有聚波、消浪、透流、轻型降低地基承载力等优点，并已在大窑湾港区建成示范项目。随着港工技术发展，沉箱防波堤断面结构形式在海洋波浪能开发领域已日趋成熟，且易于开发成各种功能的新型防波堤型式。振荡水柱式与振荡浮子式发电装置具有结构简单，波浪能转换性能良好等优势，但两种发电装置捕能效率较低，同时建造成本较高，因此，很大程度上限制了振荡水柱式与振荡浮子式发电装置的推广使用。
发明内容
面向海岛(礁)御浪及能源需求，本发明提供了一种兼顾波浪能发电的梳式防波堤系统，目的在于提供一种兼有较高发电效率，整体结构生存能力较强的新型防波堤系统。
本发明将振荡水柱式和振荡浮子式波浪能发电装置与梳式防波堤进行融合设计，提出了一种兼顾波浪能发电的梳式防波堤系统，以下简称PU-OWC&OB&CTBW系统(PUOscillating Water Column&Oscillation Buoy&Comb Type Breakwater)。该系统的提出，通过将部分波浪能转化为电能，起到消波防浪效果，减小沉箱结构与翼板所受波浪力，在一定程度上提高整体稳定性；同时，兼顾波浪能开发，提升可再生能源利用率，为缓解海岛供电问题开辟新途径。
为实现上述目的，本发明采用方案如下：
PU-OWC&OB&CTBW系统包括振荡水柱式和振荡浮子式波浪能发电装置以及改进的梳式防波堤系统三部分，其中，改进的梳式防波堤系统放置于海底铺设的抛石基床上，由振荡水柱式发电装置、振荡浮子式发电装置、沉箱、翼板、胸墙及横梁构成，沉箱沿防波堤轴向间隔布置，翼板设置在相邻沉箱之间的背浪侧，胸墙设置在沉箱和翼板上方，增强结构的整体性。
振荡水柱式发电装置(以下简称PU-OWC)放置于沉箱迎浪测，由直立式上挡浪板、斜坡式下挡浪板、多弧段过渡面及捕能气室构成。通过波浪波峰波谷交替推进，引起捕能气室内水体上下振荡，压缩室内气体，进而产生往复运动气流推动空气透平装置工作，实现波浪能向电能的转化。
浮子式发电装置放置于梳式防波堤消浪室内，并固定于两个沉箱之间的横梁上，由浮子、连杆和PTO(Power Take-off)装置组成，浮子随波浪起伏上下运动，PTO装置通过连杆与其连接，将浮子的机械能转化为电能。
本发明以改进的梳式防波堤系统作为主体结构，维护港池稳定的同时，为PU-OWC发电装置与振荡浮子式发电装置提供固定条件。所述PU-OWC与振荡浮子式发电装置通过将波浪能转化电能，提高系统整体消浪效果，增加结构可靠性。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、PU-OWC发电装置放置在防波堤迎浪测，通过利用波浪能转化为电能，减轻梳式防波堤受力，在一定程度上提高整体稳定性。
2、梳式防波堤消浪室进口处设置收缩式导流墙，聚集入射波能，增大墙内水体波高，进而提高浮子的波能转换效率。
3、将振荡浮子式发电装置放置在梳式防波堤消浪室内，为发电装置提供掩护，降低装置受到不稳定海况因素的影响，为发电装置提供了良好的服役环境，便于发电装置的正常运行。
4、通过在梳式防波堤消浪室中放置振荡浮子式发电装置，将部分波浪能转化为电能，消减了波浪对翼板的冲击，降低了翼板损坏风险。
5、通过梳式防波堤相邻沉箱结构之间的横梁固定振荡浮子式发电装置，加强了梳式防波堤相邻单元结构的连续性，有利于系统整体的稳定性。
6、将梳式防波堤和PU-OWC及浮子式发电装置融合设计，不仅降低了总体成本，提高工程性价比；而且梳式防波堤为振荡水柱式与浮子式发电装置提供固定条件，避免能量传输装置与海水接触，减少发电装置建造与检修成本；同时，在后期运维方面，可将防波堤的健康监测和发电装置的检查维护并行，便于集中管理。
附图说明
图1是本发明结构双单元三维图。
图2是本发明结构双单元正视图。
图3是本发明结构双单元侧视图。
图4是本发明结构双单元俯视图。
图5是本发明结构单元图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
PU-OWC&OB&CTBW系统放置于海底铺设的抛石基床上，由若干个单元体沿防波堤轴向连续布置构成，如图1所示。PU-OWC&OB&CTBW系统包括PU-OWC发电装置、振荡浮子式发电装置及改进的梳式防波堤三部分组成。所述改进的梳式防波堤包含沉箱6，导流墙7，翼板14，胸墙15，其中沉箱6沿防波堤轴向间隔布置，翼板14设置在相邻沉箱之间的背浪侧；胸墙15设置在沉箱6和翼板14上方；PU-OWC发电装置1放置在沉箱迎浪侧，由直立式上挡浪板2，斜坡式下挡浪板3，多弧段过渡面4，捕能气室5组成。所述的浮子式发电装置9固定于梳式防波堤相邻沉箱之间的横梁10上，由浮子13、连杆12和PTO装置 11组成，浮子13随波浪起伏上下运动，PTO装置11经连杆12与浮子13连接，将浮子13 的机械能转化为电能并输出；每两个单元组合形成消浪室8。如图1所示。
PU-OWC&OB&CTBW系统功能实现过程如下：
当波浪到达整体结构时，PU-OWC发电装置1上的直立式上挡浪板2阻断波浪传播，发挥御浪消波作用；同时波浪触碰两侧收缩式导流墙7，聚集向消浪室8传播。
当波浪波峰到达PU-OWC发电装置1时，波浪经斜坡式挡浪板3和多弧段过渡面4，进入捕能气室5，提升室内水位，增加室内气压，气室内空气高速通过气流通道并推动透平装置工作，实现能量转化；当波浪波谷到达PU-OWC发电装置1时，气室内水体经斜坡式挡浪板3和多弧段过渡面4排出室外，引起室内水位下降，降低室内气压，室外空气通过气流通道高速进入气室，并推动透平装置运行，将波浪能转换为电能。
经导流墙7反射的波浪与行进波叠加，加速进入梳式防波堤消浪室8。固定于横梁10上的振荡浮子式发电装置在波浪的作用下工作：浮子13随波浪起伏与固定在横梁10上的PTO 装置11产生相对运动，连接浮子13的连杆12将相对运动产生的机械能传递到PTO装置11， PTO装置11将机械能转化为电能，并由电缆输出。通过振荡浮子式发电装置9的能量转化，到达翼板14时的波浪力已被消减，再经翼板14反射，进一步消耗波浪能，达到御浪消能的效果。
本发明PU-OWC&OB&CTBW系统，所述振荡浮子式发电装置9设置浮子13静止时处于波浪能量聚集区，大约为静水面以下2到3倍波高处为宜。
本发明PU-OWC&OB&CTBW系统利用梳式防波堤消浪室处天然的聚波优势，通过改进梳式防波堤的沉箱6，进一步提高聚波性能，为放置在其中的振荡浮子式发电装置9提供更好的工作环境。将振荡浮子式发电装置9固定于相邻沉箱间的横梁上，既避免了PTO装置与海水接触，便于后期维护，又加强了梳式防波堤单元间的联系性，有利于系统的整体稳定性。
本发明PU-OWC&OB&CTBW系统，基于结构组成部分及布置型式的综合考量，在梳式防波堤原有御浪消波功能的基础上，结合PU-OWC发电装置1和振荡浮子发电装置9，利用波浪能、机械能和电能三者之间多重转化的消能机理，降低波浪反射率，减小梳式防波堤所受波浪力，提高防波堤稳定性，增加结构整体可靠性。
本发明提供的一种兼顾波浪能发电的梳式防波堤系统工作过程如下：
1)当波浪推进至整体结构时，PU-OWC发电装置上的直立式上挡浪板阻断波浪传播，发挥御浪消能作用；同时波浪触碰两侧收缩式导流墙，聚集向消浪室传播。
2)当波浪波峰到达PU-OWC发电装置时，波浪经斜坡式挡浪板和多弧段过渡面，进入捕能气室，推动室内水位上升，提升室内气压，气室内空气高速通过气流通道并推动空气透平装置工作，实现能量转化；当波浪波谷到达PU-OWC发电装置时，气室内水体经斜坡式挡浪板和多弧段过渡面排出室外，室内水位下降，增加室内负压，室外空气通过气流通道高速进入气室，并推动空气透平装置运行，将波浪能转换为电能。
3)当波浪传播至消浪室时，经由导流墙的折射波和行进波在消浪室前端叠加，位于消浪室顶部的振荡浮子式发电装置在波浪的作用下开始工作。浮子随波浪起伏与固定在横梁上的PTO装置发生相对运动，连接浮子的连杆将浮子运动的机械能传递至PTO装置，再由PTO 装置将机械能转化为电能，通过电缆输出。
4)经过振荡浮子式发电装置的波浪传播至梳式防波堤翼板时，由于部分波浪能已转化为电能，到达翼板时的波浪力已被消减，再经翼板反射进一步发挥御浪消能的作用。
5)循环重复以上过程。
在实际服役过程中，PU-OWC&OB&CTBW系统不断重复以上过程，进而实现波浪能的转化利用及梳式防波堤消波防浪功能。
Claims (2)
1.一种兼顾波浪能发电的梳式防波堤系统，其特征在于：系统放置于海底铺设的抛石基床上，由若干个单元体沿防波堤轴向连续布置构成；
其中，每个单元的PU-OWC&OB&CTBW系统包括：振荡水柱式发电装置、振荡浮子式发电装置及改进的梳式防波堤三部分；
所述改进的梳式防波堤包含沉箱(6)，导流墙(7)，翼板(14)，胸墙(15)，其中沉箱(6)沿防波堤轴向间隔布置，翼板(14)设置在相邻沉箱之间的背浪侧；胸墙(15)设置在沉箱(6)和翼板(14)上方；
PU-OWC发电装置(1)放置在沉箱迎浪侧，由直立式上挡浪板(2)，斜坡式下挡浪板(3)，多弧段过渡面(4)，捕能气室(5)组成；
所述的浮子式发电装置(9)固定于梳式防波堤相邻沉箱之间的横梁(10)上，由浮子(13)、连杆(12)和PTO装置(11)组成，浮子(13)随波浪起伏上下运动，PTO装置(11)经连杆(12)与浮子(13)连接，将浮子(13)的机械能转化为电能并输出；每两个单元组合形成消浪室(8)。
2.根据权利要求1所述的一种兼顾波浪能发电的梳式防波堤系统，其特征在于：所述振荡浮子式发电装置(9)设置浮子(13)静止时处于波浪能量聚集区，大约为静水面以下2到3倍波高处。
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