CN109083092A - 一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统,属于海洋发电和防波技术领域；本发明包含削角沉箱1、导流墙2、胸墙3、翼板4、底板5与浮子式发电装置；其中削角沉箱1沿防波堤轴向间隔布置，形成防波堤消浪室，翼板4设置在相邻沉箱之间的背浪面；胸墙3设置在削角沉箱1和翼板4上方，增强结构的整体性；底板5沉放在防波堤消浪室底部，浮子式发电装置固定在底板5上。从设计的角度来说，在一个项目中实现了两种功能，降低了总体成本；从施工角度来说，梳式防波堤为浮子式波能装置提供固定条件，降低了波能装置的锚固成本；从后期运维角度来说，一次出勤期能够同时进行防波堤的评估和发电装置的检修，便于后期运维。

Description

一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统
技术领域
本发明涉及海洋发电和防波技术领域，具体涉及一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统。
背景技术
海岛建设是我国近期的重点发展领域之一。防波堤是海岛建设中必不可少的一部分，可为海岛提供稳定的水域环境，为海岛进出船只提供保障和庇护；然而受到地理位置影响，岛礁的电力供给问题目前已成为急需解决的首要问题，向海岛周围的海域寻求波浪能等新型清洁能源是必要且可行的解决方案。
梳式防波堤结构是在普通直立式防波堤的基础上将沉箱按照适当的比例取出，代之以沉箱翼板，在迎浪面上形成梳齿状的防波堤。国外尚无此种形式防波堤的研究，国内在大连大窑湾已有实际应用。梳式防波堤翼板与前墙不在一个平面内，二者之间的间距使得波浪力到达防波堤的峰值交错，减小了防波堤受到的总水平波浪力，既做到了自重减轻又避免了自重减轻带来的不利影响，保持结构稳定。梳式防波堤消浪室处水动力特性复杂，但理论分析证明该处的波幅相对前墙处增大，有一定的聚波效果。
振荡浮子式波浪能装置是通过波浪带动浮子运动，再由其他能量转化装置将浮子的相对运动机械能转化成电能输出的波能利用装置，国内外均有实际应用。然而其固定方式仍存在一定问题：小型的发电装置直接漂浮在水面上，但其发电效率不高，大型的发电装置锚固方式有两种，一是通过牵引绳使装置悬浮在海中，但其受到海流的影响较大，不够稳定；另一种是直接固定在海床上，这种方式只适用于浅海领域，水深较深时在海床上创造适合固定的条件造价相对较高，很难达到令人满意的发电性价比。因此，该类装置在恶劣服役环境下对结构的稳定性和可靠度要求较高，限制了装置发电效率高的优势，对锚固系统的设计提出了挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统，以下简称 OB&CTBW系统(Oscillation Buoy&Comb Type Breakwater)，以解决海岛御浪需求及海岛能源供给的问题。
一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统，其特征在于，包括削角沉箱1、导流墙2、胸墙3、翼板4、底板5与浮子式发电装置；其中削角沉箱1沿防波堤轴向间隔布置，形成防波堤消浪室，翼板4设置在相邻沉箱之间的背浪面；胸墙3设置在削角沉箱1和翼板 4上方，增强结构的整体性；底板5沉放在防波堤消浪室底部，浮子式发电装置固定在底板5上。
所述浮子式发电装置放置于梳式防波堤消浪室，由浮子6、连杆7和PTO装置8组成，浮子6在波浪作用下上下运动，PTO装置8通过连杆7与其连接，将浮子6的机械能转化为电能输出。
本发明的有益效果在于：
(1)在梳式防波堤消浪室中放置浮子式发电装置，使波浪力在到达翼板之前经过发电装置的削减，降低翼板损坏风险；
(2)在梳式防波堤消浪室底部沉放底板以放置浮子式发电装置，可在一定程度上缓解传统梳式防波堤地基不连续分布问题，有利于系统的整体稳定性，提高服役寿命；
(3)将发电装置放置在梳式防波堤消浪室内，可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；梳式防波堤底板提供固定功能，解决发电装置在复杂海床上的锚固难题，为发电装置提供了良好的服役环境，保证了发电装置的正常运行。
(4)将浮子式发电装置放置在梳式防波堤消浪室处，由于沉箱前端的削角设计，该处相比正常海况波幅更大，更加利于波浪能发电，提高发电装置的转化效率；
(5)将梳式防波堤和浮子式波能装置融合设计，从设计的角度来说，在一个项目中实现了两种功能，降低了总体成本，提升了工程性价比；从施工角度来说，梳式防波堤为浮子式波能装置提供固定条件，降低了波能装置的锚固成本；从后期运维角度来说，一次出勤期能够同时进行防波堤的评估和发电装置的检修，便于后期运维。
附图说明
图1为本发明结构单元三维图；
图2为本发明结构双单元主视图；
图3为本发明结构双单元侧视图；
图4为本发明结构双单元俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
面向海岛御浪需求及海岛能源供给问题，本发明将振荡浮子式波浪能装置和梳式防波堤系统进行融合设计，提出一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统，以下简称OB&CTBW 系统(Oscillation Buoy&Comb Type Breakwater)。该系统的提出，旨在围绕海洋强国战略和岛礁建设布局，提供一种兼顾发电效率和防波堤整体消浪效果的新型防波堤系统。本发明能够将一部分波浪能转化为电能，缓解海岛供电难题；并且同时降低防波堤受到的总水平波浪力，增强其结构稳定性。
本发明采用方案如下：
OB&CTBW系统包括浮子式发电装置以及改进的梳式防波堤系统两部分，其特征在于：所述改进的梳式防波堤系统沉放于海底铺设的抛石基床上，由削角沉箱、翼板、胸墙、底板构成；其中削角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面；胸墙设置在削角沉箱和翼板上方，增强结构的整体性；底板沉放在防波堤消浪室底部，为浮子式发电装置提供固定条件。所述的浮子式发电装置放置于梳式防波堤消浪室，由浮子、连杆和PTO装置组成，浮子在波浪作用下上下运动，PTO装置通过连杆与其连接，将浮子的机械能转化为电能输出。所述改进的防波堤系统作为主体，提供主要的消浪和防波功能，同时为浮子式发电装置提供固定条件。所述浮子式发电装置提供波浪能转化功能，同时提高系统整体消浪效果，保护防波堤翼板。
一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统堤实现过程如下：
(1)当波浪到达整体结构时，首先接触梳式防波堤削角沉箱的前墙，部分波浪被反射以达到御浪消能的作用，另外一部分波浪触碰前墙两侧的导流墙，由于消浪室收缩使振幅增大，进入下一过程。
(2)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，位于消浪室底部的振荡浮子式发电装置在波浪的作用下工作：浮子受到波浪力作用，与固定在底板上的PTO装置产生相对运动，连接在浮子上的连杆将相对运动的机械能传递到PTO装置，再由PTO装置将连杆传输的机械能转化为电能，通过电缆输出。
(3)经过发电装置的波浪传播至梳式防波堤翼板时，由于发电装置吸收了部分波浪能，到达翼板时的波浪力相比于入射波浪的波浪力已经有了一定的减小，再由翼板反射作用进一步消耗波浪力，达到御浪消能的作用。
(4)在下一次波浪传递到前墙时重复上述步骤。
在实际服役过程中，OB&CTBW系统不断重复以上过程，实现波浪能转化和御浪功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)在梳式防波堤消浪室中放置浮子式发电装置，使波浪力在到达翼板之前经过发电装置的削减，降低翼板损坏风险；
(2)在梳式防波堤消浪室底部沉放底板以放置浮子式发电装置，可在一定程度上缓解传统梳式防波堤地基不连续分布问题，有利于系统的整体稳定性，提高服役寿命；
(3)将发电装置放置在梳式防波堤消浪室内，可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；梳式防波堤底板提供固定功能，解决发电装置在复杂海床上的锚固难题，为发电装置提供了良好的服役环境，保证了发电装置的正常运行。
(4)将浮子式发电装置放置在梳式防波堤消浪室处，由于沉箱前端的削角设计，该处相比正常海况波幅更大，更加利于波浪能发电，提高发电装置的转化效率；
(5)将梳式防波堤和浮子式波能装置融合设计，从设计的角度来说，在一个项目中实现了两种功能，降低了总体成本，提升了工程性价比；从施工角度来说，梳式防波堤为浮子式波能装置提供固定条件，降低了波能装置的锚固成本；从后期运维角度来说，一次出勤期能够同时进行防波堤的评估和发电装置的检修，便于后期运维。
实施例2：
OB&CTBW系统沉放于海底铺设的抛石基床上，由若干个如图1所示的单元沿防波堤轴向连续布置构成。OB&CTBW系统包括改进的梳式防波堤系统和浮子式发电装置两部分。所述改进的梳式防波堤部分包含削角沉箱1，导流墙2，胸墙3，翼板4，底板5，其中削角沉箱1沿防波堤轴向间隔布置，翼板4设置在相邻沉箱之间的背浪面；胸墙3设置在削角沉箱1和翼板4上方，增强结构的整体性；底板5沉放在防波堤消浪室底部，为浮子式发电装置提供固定条件。所述的浮子式发电装置放置于梳式防波堤消浪室，由浮子6、连杆7和PTO装置8 组成，浮子6在波浪作用下上下运动，PTO装置8通过连杆7与其连接，将浮子6的机械能转化为电能输出。
OB&CTBW系统功能实现过程如下：
当波浪到达整体结构时，首先接触梳式防波堤的削角沉箱1前墙，部分波浪被反射减少波浪能，另外一部分波浪触碰前墙两侧的导流墙2，向消浪室传播，与行进波叠加。位于消浪室底部的振荡浮子式发电装置在波浪的作用下工作：浮子6受到波浪力作用，与固定在底板5上的PTO装置8产生相对运动，连接在浮子6上的连杆7将相对运动的机械能传递到PTO装置8，PTO装置8将连杆传输的机械能转化为电能，由电缆输出。当经过发电装置的波浪传播至梳式防波堤翼板4时，由于发电装置吸收了部分波浪能，到达翼板4时的波浪力相比于入射波浪的波浪力已经有一定的减小，再由翼板4反射作用进一步消耗波浪力，达到御浪消能的作用。
本发明OB&CTBW系统浮子6的相对高度通过改变连杆7的长度进行调整，以浮子6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OB&CTBW系统利用梳式防波堤在消浪室处的天然聚波优势，通过改进梳式防波堤的沉箱1，进一步提高聚波性能，为放置在其中的浮子6提供更好的发电环境。
本发明OB&CTBW系统通过在所述改进的梳式防波堤系统消浪室沉放混凝土底板5，一方面为PTO装置8提供固定，为传统振荡浮子式发电装置的实际应用提供了更好的解决方案；另一方面缓解抛石基床上应力分布不连续问题，提高了系统的整体稳定性。另外在消浪室放置浮子式发电装置，在波浪到达防波堤翼板4之前由振荡浮子6吸收并转化一部分波浪能，减少防波堤翼板4所受到的波浪力，可提高系统整体可靠性，延长系统服役寿命。
一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤方法，包含以下步骤：
步骤一：海浪首先接触梳式防波堤的削角沉箱1前墙，部分波浪被反射减少波浪能，另外一部分波浪触碰前墙两侧的导流墙2，向防波堤消浪室传播，与行进波叠加；由于消浪室收缩使振幅增大，进入下一步骤。
步骤二：位于消浪室底部的振荡浮子式发电装置在波浪的作用下工作：浮子6受到波浪力作用，与固定在底板5上的PTO装置8产生相对运动，连接在浮子6上的连杆7将相对运动的机械能传递到PTO装置8，PTO装置8将连杆传输的机械能转化为电能，由电缆输出；
步骤三：经过发电装置的波浪传播至梳式防波堤翼板4时，由于发电装置吸收了部分波浪能，到达翼板4时的波浪力相比于入射波浪的波浪力已经有一定的减小，再由翼板4反射作用进一步消耗波浪力，达到御浪消能的作用；
步骤四：在下一次波浪传递到削角沉箱1前墙时返回步骤一。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统，其特征在于，包括削角沉箱(1)、导流墙(2)、胸墙(3)、翼板(4)、底板(5)与浮子式发电装置，其中削角沉箱(1)沿防波堤轴向间隔布置，形成防波堤消浪室，翼板(4)设置在相邻沉箱之间的背浪面；胸墙(3)设置在削角沉箱(1)和翼板(4)上方，增强结构的整体性；底板(5)沉放在防波堤消浪室底部，浮子式发电装置固定在底板(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种兼顾振荡浮子式波能发电的梳式防波堤系统，其特征在于，所述浮子式发电装置放置于梳式防波堤消浪室，由浮子(6)、连杆(7)和PTO装置(8)组成，浮子(6)在波浪作用下上下运动，PTO装置(8)通过连杆(7)与其连接，将浮子(6)的机械能转化为电能输出。
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