CN109973285B - 一种岸式共振机制可调节的振荡水柱双气室波能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岸式共振机制可调节的振荡水柱双气室波能装置，其由多个振荡水柱式发电装置单元组成，每个振荡水柱式发电装置单元由前垂向直板，前气室结构，前开口水平板，前气流通道，前空气透平，中垂板，后气室结构，后水平板，后垂向直板，后气流通道，后空气透平，弹簧结构系统，后垂板连接结构，锚碇结构，锚碇结构连接结构，基座和岸边固有直墙结构组成。本发明利用双气室结构，其中前气室结构的气室宽度固定不变，后气室结构的气室宽度可在波浪作用下发生自适应的调节，从而为整个系统的多共振机制的发生提供了可能和条件，对提高装置的整体工作性能方面也具有极为显著的成效。

Description

一种岸式共振机制可调节的振荡水柱双气室波能装置

技术领域

本发明涉及一种振荡水柱式波能发电装置，具体涉及一种靠岸建设共振机制可调节的振荡水柱双气室波能发电装置。

背景技术

蓝色是地球的主色调，广袤无垠、独占地球70%表面的海洋以品种多样的海鲜丰富着人类的餐桌，以超过陆地储量的石油和天然气驱动汽车、点亮灯泡，并不断以潮汐、波浪、盐度差、海流等形式展示着殷实的资源宝库。自20世纪70年代的石油危机开启了可再生能源研究的新时代，在陆地资源的开发已捉襟见肘的局势之下，越来越多的人逐渐将目光投向天空和大海，海洋环境研究和海洋资源开发已经成为人类发展的必由之路。

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。在中国附近海域的波浪能密度相对较低，在“21世纪海上丝绸之路”的大背景下，通过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需求供应上提供切实可行的解决办法。相较于传统火力发电，波浪能发电的成本依然很高，还处于产业初端的研发设计阶段。在众多波浪能转换技术中，振荡水柱波能装置的主要部件不与海水接触，具有使用寿命长且便于维修等优势，是目前被广泛认可的波能转换技术之一。

海洋能开采工作的局限性在于当下的经济性价值偏低，效益产出与投入成本之间相距甚远。究其原因，在于波浪能装置的波能提取效率普遍偏低，由于波浪能装置一旦设计建造完毕，其本身固有的性质难以随着具有典型随机性特征的海浪发生相应的改变，在极端条件情况下，很难表现出相对较为满意的波浪能提取能力。同时在实际的海洋工程应用过程中，虽然存在防波堤等海洋防护的工程结构物，但是不可避免地部分甚至能够达到50%的波浪能依然会因为本身较强的透射能力向近海岸区域传播，这部分能量倘若不加以转化提取和利用，无论是从海岸的防护角度还是波能提取加速波能发电的产业化进程的角度而言，都是不利的。因而急需一种可以在不同波浪条件下自适应调节自身机制以及较高程度地完成靠岸区域波浪能提取的波能装置。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种相比较于传统的振荡水柱式波能装置具有更强的波浪适应性以及能够更高地完成波浪能源提取工作的振荡水柱式双气室波浪装置。即在考虑到真实的海洋环境中波浪的波高和周期具有典型的随机性特征的特性，设计了一种能够克服传统的振荡水柱波能装置的属性难以更改对波浪的适应能力弱，以及波能提取效率低的固有瓶颈问题的岸式振荡水柱双气室波能装置，除了能够高效地满足对装置的工作性能方面的期待之外，在节约工程建设成本方面也具有较明显的优势。为了防止因为振荡水柱装置的加入使得倚靠近岸海工结构建造波能装置形成耦合系统的整体稳定性以及海洋环境受到严重影响的问题，对该装置从结构形式的设计、工作运行过程、电能的储存形式等多个方面进行优化，既保证了波浪能发电效率也提高了装置的综合效益。

本发明由多个振荡水柱式发电装置单元组成，在不影响海岸正常的泥沙输移等过程条件下，可沿着海岸线大范围地布置建造。每个振荡水柱式发电装置单元由前垂向直板，前气室结构，前开口水平板，前气流通道，前空气透平，中垂板，后气室结构，后水平板，后垂向直板，后气流通道，后空气透平，弹簧结构系统，后垂板连接结构，锚碇结构，锚碇结构连接结构，基座，岸边固有直墙结构组成。

所述前气室结构是由前垂向直板，前开口水平板和中垂板三部分结构包围形成的密闭空间，在入射波波峰和波谷交替作用条件下，气室内贮存的水体发生垂向振荡，使得气室内的空气不断被挤进和排出，压缩空气做功转化波浪能；其中：

所述前垂向直板形成一个类直立墙结构处于整个发电装置的最前端，直接承受行进波作用产生的波浪荷载，其厚度以及刚度等必要参数的设计与选用满足《海港水文设计规范》中所规定要求的海工结构物的正常使用年限。

所述前开口水平板位于前气室结构的最上方，中间位置预留一个圆柱体的开孔；所述前气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于前开口水平板的中部，其主要作用就是作为前气室内与外气体交换的唯一通道；所述前空气透平位于前气流通道内，它在空气往复进出气室的过程中可实现双向旋转，将波浪所具有的机械能转化为空气透平的机械能。

所述中垂板将前气室结构与后气室结构分割，同时与前开口水平板和后水平板相连接，为了更好地发挥前气室波浪能提取能力，中垂板结构长度要大于前垂向直板。

所述后气室结构是由中垂板，后水平板和后垂向直板和岸边固有直墙结构垂板四部分包围形成的密闭空间工作效用与前气室同；其中：

所述后水平板位于后气室结构的最上方，与中垂板结构和后垂向直板相连；后垂向直板位于后气室结构的末端，与后水平板相连；所述后气流通道为后垂向直板和岸边固有直墙结构间隙形成，其主要作用与前气流通道同；所述后空气透平位于后气流通道内。

所述弹簧结构系统主要由高劲度系数的弹簧组成，间接承受波浪作用在波浪能装置的荷载，并控制波浪装置的水平位移，调节后气室结构的气室宽度；所述后垂板连接结构固定在后垂向直板上，与弹簧结构系统相连；所述锚碇结构主要用来固定锚碇结构连接结构，并与基座相连接；所述锚碇结构连接结构固定安装在锚碇结构上，与弹簧结构系统相连；所述基座用来固定安装锚碇结构，并提供足够的支持力。所述岸边固有直墙结构，严格意义上并不属于波浪能装置的一部分，但是却又是后气室结构形成必不可少的一部分，它利用海岸原有的地形特征加以开发利用，形成整体呈现直立墙的状态。

作为优选，所述前垂向直板和中垂板在分别作为前气室结构和后气室结构的前墙使用时功能和结构尺寸上有所区别，前垂向直板在保证装置的气密性的条件下，同时兼作迎浪侧的直墙使用。为了保证直墙在来浪条件下具有一定的使用期限，前垂向直板的厚度和刚度相比于中垂板而言要大。前垂向直板为了能够促进更多的波浪能能够进入到气室结构中去，其吃水深度在不影响前气室结构气密性的条件下，吃水深度应该尽可能得小；同时为了使得前气室结构能够更好地发挥波浪能装置对波浪能的转化和提取能力，中垂板的结构长度要大于前垂向直板的长度。

作为优选，所述的后气室结构中气流通道的形成是利用后垂向直板和岸式固有直墙结构的间隙形成，不再需要人工或者机械钻孔，从某种程度上而言节约了一定的成本。

作为优选，所述的后气室结构在波浪荷载的作用下通过相连接的弹簧结构系统可发生水平向一定程度的位移，在波浪力的交替作用条件下，后气室结构的气室宽度会发生交替地变化，即相对于初始状态而言，后气室结构的宽度会随着波浪力以及弹簧力的强弱关系改变增大或减小，体现出装置对波浪的适应性能力；同时后气室结构宽度的改变，会使得系统在不同频率的波浪作用下均有可能发生共振，促使装置对波浪能的提取效率增大。

作为优选，所述岸边固有直墙结构，为了能够更好地与波浪能装置形成一个完整的整体同时保证后气室结构在发生水平移动过程中不影响后气室结构空气透平的性能，放弃在后气室顶部设计空气透平的思路，将空气透平与后垂向直板相连。

本发明的有益效果：

本发明不仅具有将海洋中所蕴藏的波浪能转化为电能储存起来的功能，而且还能发挥一定程度的海岸防护的功能，实现防波堤所具有的防浪消浪的功效。位于整个装置的最前端的前垂向直板作为迎浪来波的最主要受力构件，其发挥的防波作用，可以使得振荡水柱发电装置的功能多样化，价值进一步得到提升。

本发明中的振荡水柱发电装置的结构简单，制作方便，双气室透空式振荡水柱发电装置的制作过程可以看作在T型结构两端分别安装前垂向直板和后垂向直板，并在T型结构物上部的前半部分开口并最终利用已有的海岸结构物，形成两个相邻的气室空间，在前气室结构的顶部小孔和后气室结构的后侧空隙中分别独立安装空气透平。

本发明能够实现对未被前气室结构转换提取的波浪能的进一步地补充提取，依靠岸式已有的海工结构物形成气室的主要构件部分，对节约生产成本而言，大有裨益。

本发明利用双气室结构，其中前气室结构的气室宽度固定不变，后气室结构的气室宽度可在波浪作用下发生自适应的调节，从而为整个系统的多共振机制的发生提供了可能和条件，对提高装置的整体工作性能方面也具有极为显著的成效。

本发明实现波浪能转化为电能的过程基于振荡水柱发电装置波能转化原理，工程可靠性强，实用价值高。

综上所述，本发明力求实现对海洋上能源的高效提取与利用，在保证具有较高的能量转化效率的前提下，兼顾使得装置具有防波消浪的功能，具有较高的价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

1前垂向直板，2前气室结构，3前开口水平板，4前气流通道，5前空气透平，6中垂板，7后气室结构，8后水平板，9后垂向直板，10后气流通道，11后空气透平，12弹簧结构系统，13后垂板连接结构，14锚碇结构，15锚碇结构连接结构，16基座，17岸边固有直墙结构。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种岸式共振机制可调节的振荡水柱双气室波能装置，由多个振荡水柱式发电装置单元组成，在不影响海岸正常的泥沙输移等过程条件下，可沿着海岸线大范围地布置建造。每个振荡水柱式发电装置单元由前垂向直板1，前气室结构2，前开口水平板3，前气流通道4，前空气透平5，中垂板6，后气室结构7，后水平板8，后垂向直板9，后气流通道10，后空气透平11，弹簧结构系统12，后垂板连接结构13，锚碇结构14，锚碇结构连接结构15，基座16和岸边固有直墙结构17组成。所述前垂向直板形成一个类直立墙结构处于整个发电装置的最前端，直接承受行进波作用产生的波浪荷载，其厚度以及刚度等必要参数的设计与选用满足《海港水文设计规范》中所规定要求的海工结构物的正常使用年限；所述前气室结构是由1前垂向直板，前开口水平板和中垂板三部分结构包围形成的密闭空间，在入射波波峰和波谷交替作用条件下，气室内贮存的水体发生垂向振荡，使得气室内的空气不断被挤进和排出，压缩空气做功转化波浪能；所述前开口水平板位于前气室结构的最上方，中间位置预留一个圆柱体的开孔；所述前气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于前开口水平板的中部，其主要作用就是作为前气室内与外气体交换的唯一通道；所述前空气透平位于前气流通道内，它在空气往复进出气室的过程中可实现双向旋转，将波浪所具有的机械能转化为空气透平的机械能；所述中垂板将前气室结构与后气室结构分割，同时与前开口水平板和后水平板相连接，为了更好地发挥前气室波浪能提取能力，中垂板结构长度要大于前垂向直板；所述后气室结构是由中垂板，后水平板和后垂向直板和岸边固有直墙结构四部分包围形成的密闭空间，工作效用与前气室同；所述后水平板位于后气室结构的最上方，与中垂板结构和后垂向直板相连；后垂向直板位于后气室结构的末端，与后水平板相连；所述后气流通道为后垂向直板和岸边固有直墙结构间隙形成，其主要作用与前气流通道同；所述后空气透平位于后气流通道内；所述弹簧结构系统主要由高劲度系数的弹簧组成，间接承受波浪作用在波浪能装置的荷载，并控制波浪装置的水平位移，调节后气室结构的气室宽度；所述后垂板连接结构固定在后垂向直板上，与弹簧结构系统相连；所述锚碇结构主要用来固定锚碇结构连接结构，并与基座相连接；所述锚碇结构连接结构固定安装在锚碇结构上，与弹簧结构系统相连；所述基座用来固定安装锚碇结构，并提供足够的支持力；所述岸边固有直墙结构，严格意义上并不属于波浪能装置的一部分，但是却又是后气室结构形成必不可少的一部分，它利用海岸原有的地形特征加以开发利用，形成整体呈现直立墙的状态。

一种岸式共振机制可调节的振荡水柱双气室波能装置的具体实现过程如下：

① 双气室振荡水柱发电装置结构设计：

这里对双气室振荡水柱式发电装置进行设计研究过程中，主要着眼于波能装置的吃水深度中这个角度进行优化设计，以提高波浪能装置的整体工作性能。一般而言，对于传统的单一气室振荡水柱式波能装置，前墙吃水的深度越小后墙的吃水深度越大，装置对波浪能的提取和转化能力越强。但是对于双气室结构而言，前气室结构的后墙兼作后气室结构的前墙使用，也就是这里所述的中垂板，其深度越大越不利于后气室结构对波浪能的补充提取，但是深度过小的话，则前气室结构的工作性能大大削弱。在固定所述前垂向直板的吃水深度而改变中垂板吃水深度的研究过程中，发现当中垂板吃水深度达到水深的一半时装置的整体性能最佳，继续增加吃水深度的话，则由于波浪能大部分集中于自由液面上下1~2倍波高范围内也不会显著提高前气室结构的波能提取能力，却大大减弱后气室结构的效用，影响整体系统的性能。因而这里推荐设计的中垂板吃水深度为水深的一半。

② 波浪入射，波峰波谷交替，前后气室内波浪能做功

当入射波作用到振荡水柱发电装置时，引起装置内前气室和后气室内的液面发生波动，在波浪力以及弹性力的作用下，整个振荡水柱式波能装置也会发生水平向的移动，考虑到波浪的随机性和周期性特征，系统的整体水平位移也呈现一定程度的周期性。这一过程中，前后两个气室内的气体运动均受到来自自由液面的压缩作用。装置内的气体受到垂向压缩和纵向压缩两部分的压缩作用，流进流出的气体推动前后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。对于固定了前墙吃水深度和气室宽度的振荡水柱式波能装置而言，其在不同频率的入射波作用下一般仅存在一个共振频率，在共振频率的入射波作用下，波能效率达到峰值。但所述的后气室结构则克服了传统的波能装置存在的固有瓶颈性不足，它不仅仅能够实现对未被前气室结构吸收转换的波浪能的进一步地补充吸收作用，特别是具有较好透射性能的长波，还能够在不同频率的波浪力和弹性力的作用下自适应地调节后气室的宽度，即在随机波的作用下可引发系统多种共振机制的形成，促使波能效率曲线多峰值效率的出现，提高了系统的整体工作性能。

Claims (2)

1.一种岸式共振机制可调节的振荡水柱双气室波能装置，由多个发电装置单元组成，其特征在于：每个振荡水柱式发电装置单元由前垂向直板，前气室结构，前开口水平板，前气流通道，前空气透平，中垂板，后气室结构，后水平板，后垂向直板，后气流通道，后空气透平，弹簧结构系统，后垂板连接结构，锚碇结构，锚碇结构连接结构，基座和岸边固有直墙结构组成；

所述前气室结构是由前垂向直板，前开口水平板和中垂板三部分结构包围形成的密闭空间，在入射波波峰和波谷交替作用条件下，气室内贮存的水体发生垂向振荡，使得气室内的空气不断被挤进和排出，压缩空气做功转化波浪能，其中：

所述前垂向直板形成一个类直立墙结构处于整个发电装置的最前端，直接承受行进波作用产生的波浪荷载；

所述前开口水平板位于前气室结构的最上方，中间位置预留一个圆柱体的开孔；所述前气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于前开口水平板的中部，其主要作用就是作为前气室内与外气体交换的唯一通道；所述前空气透平位于前气流通道内，它在空气往复进出气室的过程中可实现双向旋转，将波浪所具有的机械能转化为空气透平的机械能；

所述中垂板将前气室结构与后气室结构分割，同时与前开口水平板和后水平板相连接；

所述后气室结构是由中垂板，后水平板和后垂向直板和岸边固有直墙结构垂板四部分包围形成的密闭空间，其中：

所述后水平板位于后气室结构的最上方，与中垂板结构和后垂向直板相连；后垂向直板位于后气室结构的末端，与后水平板相连；所述后气流通道为后垂向直板和岸边固有直墙结构间隙形成，其主要作用与前气流通道同；所述后空气透平位于后气流通道内；

所述弹簧结构系统采用高劲度系数的弹簧，间接承受波浪作用在波浪能装置的荷载，并控制波浪装置的水平位移，调节后气室结构的气室宽度；

所述后垂板连接结构固定在后垂向直板上，与弹簧结构系统一端相连；所述锚碇结构主要用来固定锚碇结构连接结构，并与基座相连接；所述锚碇结构连接结构固定安装在锚碇结构上，与弹簧结构系统另一端相连；所述基座用来固定安装锚碇结构，并提供足够的支持力。

2.根据权利要求1所述的一种岸式共振机制可调节的振荡水柱双气室波能装置，其特征在于：所述前垂向直板的厚度和刚度大于中垂板，且其结构长度小于中垂板的结构长度。

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