CN110528477B - 集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元及系统 - Google Patents

集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于防波堤技术领域，具体涉及一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元及系统。本发明通过振荡水柱式发电装置和振荡浮子式发电装置将堤前波浪能部分转化为电能；利用捕能气室内波浪共振增大振幅，增大水体和浮子的相对运动幅度从而提高波浪能的转换效率。本发明通过将防波堤前波浪能转换为电能，减小防波堤前所受荷载，提高了集成系统的整体稳定性；同时，集成梳式防波堤系统改善了振荡水柱式和振荡浮子式波能发电装置的工作环境，降低了振荡水柱式和振荡浮子式波能发电装置独立建造成本。

Description

集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元及系统
技术领域
本发明属于防波堤技术领域，具体涉及一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元及系统。
背景技术
全球的不可再生能源是有限的如：石油、煤炭、天然气等。据统计，随着不可再生能源被人类不断地消耗，不可再生能源的开发已经屈指可数。按照目前全人类对能源的消耗速度和增长速率计算：全球的煤炭储量只能够使用约200年；全球的石油储量只能够使用约45年；全球的天然气储量只能够使用约50年。传统能源使用过程中伴随着污染与开发费用越来越高的问题，人们不得不开始重视可再生能源的开发和利用。占地球总面积71％的海洋首先进入开发者的视线，目前被主要关注的海洋能源包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能等，而波浪能以其储量大，分布广，获取方式多样等优势成为最有发展前景的海洋能源之一。
防波堤作为一种挡浪结构，在全球贸易发展和港口不断开发的背景下，衍生出众多不同的结构形式，以应对不同的地质条件及使用要求。梳式防波堤作为一种新型防波堤形式，正是为了应对大连大窑湾防波堤的地质条件和成本要求而开发出来的。这种新型的防波堤结构是在传统的沉箱的防波堤的基础上，以沉箱翼板代替一部分沉箱，整个结构成梳齿状并由此得名。梳式防波堤结构形式简单、地基应力较小、造价较低，防波堤堤身允许透水的同时又能保证较好的消浪效果。
振荡水柱式波能发电装置一般为混凝土结构或者钢结构，为半没入水中的空腔结构，开孔在水面以下，空腔内部水面以上为气体，并在水面以上的位置设置空气喷口。在波浪的作用下，空腔内部的水体做上下振动驱动空气在喷口处往复运动，往复运动的气体驱动发电机发电。振荡水柱式波浪发电装置利用空气作为转换的介质，能量的采集通过气室完成，可以避免波浪对发电系统的直接打击，延长发电系统的工作寿命，降低发电成本。在梳式防波堤中集成振荡水柱式波能发电装置，即可以降低振荡水柱式波能发电装置的建造成本，又可以降低梳式防波堤堤前波浪力，提高梳式防波堤的整体稳定性。
振荡浮子式波浪能发电装置是通过波浪带动浮子上下运动，再将浮子的相对运动机械能转化成电能的波能利用装置，一般被看做是点吸收式的装置，因为其水平方向上的运动尺度相对于波浪振幅来说较小。振荡浮子式波能发电装置的固定方式存在一定问题：小型的发电装置可以直接漂浮在水面上，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。在梳式防波堤沉箱里面集成振荡浮子式波能发电装置，既节约了振荡浮子式发电装置独立建造基础的费用，又利用沉箱改善了振荡浮子的工作环境，这样可以解决振荡浮子式发电装置的固定成本和工作环境问题，从而充分利用振荡浮子式发电装置效率高的优势。
公开号为CN109356779A的专利公开了一种集成振荡水柱式与点头鸭式发电装置的梳式防波堤单元，包括沉箱，所述的沉箱安装在抛石基床上，沉箱顶部安装有胸墙，沉箱的后身安装有翼板；所述的沉箱的底部设有进水孔，沉箱的顶部设有出气孔。该项专利未能充分利用防波堤单元的沉箱内部空间进行发电。
发明内容
本发明的目的在于提供基于现有技术，在沉箱中集成振荡浮子式波浪能发电装置，提高发电效率降低发电成本的一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括沉箱，所述的沉箱安装在抛石基床上，沉箱顶部安装有胸墙；所述的胸墙长度大于沉箱，且胸墙超出沉箱部分的下方安装有翼板，且竖直方向上翼板的宽度小于所述的沉箱；所述的沉箱底部开有进出水孔，沉箱顶部开有进出气孔；还包括振荡浮子；所述的振荡浮子安装于沉箱内部中央位置；所述的进出水孔有两个分别设置在振荡浮子左右两侧沉箱正面底部；所述的进出气孔处连接有空气透平。
本发明还可以包括：
所述的翼板的背面与沉箱的背面处于同一平面。
本发明的目的还在于提供一种由集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元构成的一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤系统。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：该系统由集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元首尾连接组成，且系统最后以沉箱结尾。
本发明还可以包括：
所述的集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元中翼板的背面与沉箱的背面处于同一平面。
本发明的有益效果在于：
本发明通过振荡水柱式发电装置和振荡浮子式发电装置将堤前波浪能部分转化为电能；利用捕能气室内波浪共振增大振幅，增大水体和浮子的相对运动幅度从而提高波浪能的转换效率。本发明通过将防波堤前波浪能转换为电能，减小防波堤前所受荷载，提高了集成系统的整体稳定性；同时，集成梳式防波堤系统改善了振荡水柱式和振荡浮子式波能发电装置的工作环境，降低了振荡水柱式和振荡浮子式波能发电装置独立建造成本。
附图说明
图1为一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元的整体结构示意图。
图2为含有两个沉箱的集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤系统结构主视图。
图3为一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤的单元结构右视图
图4为一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤的单元结构左视图
图5为一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤的单元结构主视图
图6为一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤的单元结构俯视图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明基于已有技术，为缓解我国岛礁建设对电力供给的迫切需求，提出一种集成振荡水柱式与振荡浮子式波能发电装置的梳式防波堤系统。这种新型结构型式，一方面可以利用波浪能发电缓解电力供给的迫切需求，同时利用防波堤结构作为波浪能发电装置安装基础降低发电成本；另一方面通过利用发电装置将波浪能转化为电能，可以降低防波堤前能量，进而提高梳式防波堤整体结构的稳定性。
本发明的集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤系统在两个沉箱之间也可以连接点头鸭式发电装置和水力透平式发电装置。
集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤系统包括：梳式防波堤系统、振荡水柱式波能发电系统、振荡浮子式波能发电系统。梳式防波堤系统包含抛石基床7，捕能气室3，胸墙5，翼板6；其中捕能气室3沿防波堤轴向间隔布置，翼板6设置在相邻捕能气室3之间，胸墙5设置在捕能气室3和翼板6上方。振荡水柱式发电系统以梳式防波堤的捕能气室3为基础而建设，在捕能气室3下方开孔形成捕能气室进出水孔4，在捕能气室3上方开孔形成捕能气室进出气孔1，在进出气孔处连接往复空气透平带动发电机进行发电；振荡浮子式发电系统以振荡水柱式发电系统的捕能气室3为基础而建设，将振荡浮子2安装在捕能气室3内，浮子在捕能气室3内随波浪做垂荡运动对波浪能进行二次捕获。
梳式防波堤系统：该系统由抛石基床、沉箱、翼板和胸墙组成。将沉箱沉放于抛石基床上，翼板与沉箱主体浇筑成一个整体，沉箱上方浇筑混凝土胸墙，通过翼板和胸墙共同作用将左右相邻沉箱结构连接为一个整体，提高结构的整体稳定性。将沉箱改造成捕能气室下文简称“捕能气室”，波浪在捕能气室内产生共振，共振形成的水面振幅会远高出正常波浪的振幅，大大提高气室的捕能效率从而提高发电效率；同时在捕能气室内安装振荡浮子，对捕能气室内波浪能进行二次采集。
振荡水柱式波能发电装置是在梳式防波堤的基础上改进而来，将梳式防波堤的沉箱下面开口形成波浪的进出水口，在沉箱上方开口形成进出气孔，形成振荡水柱式波能发电装置的捕能气室。在捕能气室进出气孔上连接往复空气透平带动发电机进行发电，形成振荡水柱式波能发电装置。
振荡浮子式波浪能发电装置安装在梳式防波堤的沉箱里面。通过捕能气室内波浪的振荡带动浮子进行运动，将波浪能转换为机械能再转换为电能，本发明中结合捕能气室内波浪的共振，增大振荡浮子的相对运动机械能；同时振荡浮子安装在捕能气室中，可以对捕能气室中的波浪能进行二次捕获，从而提高波浪能发电效率；降低堤前波浪能量，减小堤前波浪力，起到保护梳式防波堤的目的。捕能气室可以保护浮子避免直接受到波浪冲击，减小浮子的水平方向的摆动，从而增大对浮子发电有效的垂向振荡，也改善了振荡浮子的工作环境。
集成系统优势在于利用振荡水柱式和振荡浮子式发电系统充分获取堤前波浪能量；将振荡浮子置于振荡水柱式波能发电装置的捕能气室中可以对波浪能进行二次捕获，可以显著提高波浪能的发电效率和有效改善浮子装置的工作环境；利用梳式防波堤基础作为振荡水柱式和振荡浮子式发电系统的安装基础，可以有效降低发电成本。
集成振荡水柱式与振荡浮子式发电装置的梳式防波堤系统功能实现过程如下：
当波峰到达集成系统前侧，一方面波浪通过捕能气室进出水孔4进入捕能气室3，引起捕能气室3内水面上升，进而压缩捕能气室3内空气，增加捕能气室3内空气气压，使得捕能气室3内空气气压大于大气气压，捕能气室3内高压空气通过捕能气室进出气孔1流向大气中同时驱动安装在捕能气室进出气孔1处的空气透平装置转动，继而实现波浪能向电能的转换；另一方面捕能气室3内水体的上升将带动振荡浮子2上升，振荡浮子内外层产生相对运动，带动液压装置加压，实现波浪能的捕获和向液压能的转换，再利用液压发电机组将液压能转换为电能。
当波谷到达集成系统前侧，一方面波浪通过捕能气室进出水孔4流出捕能气室3，引起捕能气室3内水面下降，进而抽空捕能气室3内空气，降低捕能气室3内空气气压，使得捕能气室3内空气气压小于大气气压，大气中高压空气通过捕能气室进出气孔1流向捕能气室3内同时驱动安装在捕能气室进出气孔1处的往复空气透平装置转动，继而实现波浪能向电能的转换；另一方面捕能气室3内水体的下降将带动振荡浮子2下降，振荡浮子内外层产生相对运动，带动液压装置，实现波浪能向液压能的转换，再利用液压发电机组将液压能转换为电能。
本发明的有益效果在于：
本发明通过振荡水柱式发电装置和振荡浮子式发电装置将堤前波浪能部分转化为电能；利用捕能气室内波浪共振增大振幅，增大水体和浮子的相对运动幅度从而提高波浪能的转换效率。将防波堤前波浪能转换为电能，减小防波堤前所受荷载，提高了集成系统的整体稳定性；同时集成梳式防波堤系统改善了振荡水柱式和振荡浮子式波能发电装置的工作环境，降低了振荡水柱式和振荡浮子式波能发电装置独立建造成本。
1、将梳式防波堤沉箱改造为捕能气室，在梳式防波堤沉箱基础上建造振荡水柱式波能发电装置，可以一箱两用，大大减少振荡水柱式波能发电装置的建造成本。
2、在捕能气室中安装振荡浮子式波能发电装置，捕能气室可以使振荡浮子避免直接受到波浪冲击，改善振荡浮子的工作环境，增加发电装置工作寿命，提高振荡浮子捕能效率；在捕能气室中安装振荡浮子式波能发电装置更为方便且共同利用基础，可以降低发电装置基础安装费用，后期运维也更为方便。
3、在振荡水柱式波能发电装置的捕能气室中集成振荡浮子式波能发电装置，可以利用振荡浮子对波浪能进行二次捕获，大大提高波浪能捕获效率。
4、在梳式防波堤中集成振荡水柱式与振荡浮子式波能发电装置，可以将堤前波浪能转换为电能，为沿海岛礁建设提供电能；降低堤前总体能量，减小堤前荷载作用力，提高了梳式防波堤系统的整体稳定性和安全性。
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 (1)

1.一种集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤系统，其特征在于：由集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元首尾连接组成，且系统最后以沉箱结尾；所述集成振荡水柱及浮子式发电装置的梳式防波堤单元包括沉箱和振荡浮子，所述沉箱安装在抛石基床上，沉箱顶部安装有胸墙；所述胸墙长度大于沉箱，且胸墙超出沉箱部分的下方安装有翼板，且竖直方向上翼板的宽度小于所述沉箱；所述沉箱底部开有进出水孔，沉箱顶部开有进出气孔；所述振荡浮子安装于沉箱内部中央位置；所述进出水孔有两个分别设置在振荡浮子左右两侧沉箱正面底部；所述进出气孔处连接有空气透平；所述翼板的背面与沉箱的背面处于同一平面；
当波峰到达梳式防波堤系统前侧，一方面波浪通过捕能气室进出水孔进入捕能气室，引起捕能气室内水面上升，进而压缩捕能气室内空气，增加捕能气室内空气气压，使得捕能气室内空气气压大于大气气压，捕能气室内高压空气通过捕能气室进出气孔流向大气中同时驱动安装在捕能气室进出气孔处的空气透平装置转动，继而实现波浪能向电能的转换；另一方面捕能气室内水体的上升将带动振荡浮子上升，振荡浮子内外层产生相对运动，带动液压装置加压，实现波浪能的捕获和向液压能的转换，再利用液压发电机组将液压能转换为电能；
当波谷到达集成系统前侧，一方面波浪通过捕能气室进出水孔流出捕能气室，引起捕能气室内水面下降，进而抽空捕能气室内空气，降低捕能气室内空气气压，使得捕能气室内空气气压小于大气气压，大气中高压空气通过捕能气室进出气孔流向捕能气室内同时驱动安装在捕能气室进出气孔处的往复空气透平装置转动，继而实现波浪能向电能的转换；另一方面捕能气室内水体的下降将带动振荡浮子下降，振荡浮子内外层产生相对运动，带动液压装置，实现波浪能向液压能的转换，再利用液压发电机组将液压能转换为电能。
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