CN113356134B - 振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置及安装方法 - Google Patents
振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置及安装方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置及安装方法，混合装置包括抛物线形浮箱式防波堤单元、锚泊系统吊环、振荡式浮子、浮子吊环、锚链、锚块、发电系统；所述抛物线形浮箱式防波堤单元底部设置有锚泊系统吊环；所述振荡式浮子安装在抛物线形浮箱式防波堤单元迎波侧的前方；所述振荡式浮子底部设置有浮子吊环；所述浮子吊环及锚泊系统吊环分别连接有一根锚链；所述锚链的另一端与锚块连接；锚块放置于海底；所述发电系统安装在振荡式浮子内部。本发明的混合装置波浪能量俘获能力强，可以提供较高的波浪能密度且消波效果好。本发明涉及防波堤领域。
Description
技术领域
本发明涉及防波堤领域，尤其涉及振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置及安装方法。
背景技术
波浪能作为清洁的可再生能量，其具有分布广、能流密度大等优点，近年来逐渐成为研究热点。然而波浪能技术的实际应用仍处于初级阶段，存在装机成本高、维护困难、难以收回投资等问题。目前解决成本问题的主要方法是发展波浪能装置阵列或将波浪能装置与其它海洋工程设备相结合。波浪能阵列的发展基于单体波浪能装置的发展，在单体装置研究并不成熟的前提下，阵列发展受到一定限制。因此将波浪能装置与其它海洋工程设备相结合成为眼下较为效率的发展方式。
目前有研究人员将波浪能装置与防波堤相结合进行研究，但目前根据这一构想提出的集成装置数量较少且技术不成熟，存在波浪能量俘获能力差、波浪能密度不高、消波效果差的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，本发明的混合装置波浪能量俘获能力强，可以提供较高的波浪能密度且消波效果好。
本发明的另一个目的在于提供了振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置的安装方法。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，包括抛物线形浮箱式防波堤单元、锚泊系统吊环、振荡式浮子、浮子吊环、锚链、锚块、发电系统；所述抛物线形浮箱式防波堤单元底部设置有锚泊系统吊环；所述振荡式浮子安装在抛物线形浮箱式防波堤单元迎波侧的前方；所述振荡式浮子底部设置有浮子吊环；所述浮子吊环及锚泊系统吊环分别连接有一根锚链；所述锚链的另一端与锚块连接；锚块放置于海底；所述发电系统安装在振荡式浮子内部。
进一步的，所述发电系统包括运动系统、固定系统、弹簧系统、电机外壳；所述运动系统安装于电机外壳内部；所述固定系统安装于电机外壳与运动系统之间；所述弹簧系统分别安装在运动系统与电机外壳上下两端之间。
进一步的，所述运动系统包括夹板、钕铁硼磁铁、滑动轴承、支撑杆；所述支撑杆对称竖直安装在电机外壳内部两边；所述滑动轴承滑动安装在支撑杆上；所述夹板固定安装在钕铁硼磁铁周围；所述夹板通过滑动轴承安装在支撑杆上。
进一步的，所述固定系统包括线圈、硅钢片；所述硅钢片固定安装在电机外壳内壁上；所述线圈安装于硅钢片之间；。
进一步的，所述弹簧系统包括第一弹簧410与第二弹簧411；所述第一弹簧410和第二弹簧411的两端分别与钕铁硼磁铁和电机外壳连接。
进一步的，所述抛物线形浮箱式防波堤单元内部横向安装有隔板。
进一步的，隔板与抛物线形浮箱式防波堤单元底部形成压载水舱。
进一步的，所述振荡式浮子的形状为圆柱形。
本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置的安装方法，包括如下步骤：
抛物线形浮箱式防波堤单元内侧正对波浪方向竖直置于海面上；
振荡式浮子安装于抛物线形浮箱式防波堤单元的迎波侧前方；
抛物线形浮箱式防波堤单元和振荡式浮子底部分别连接锚链，锚链另一端连接有锚块，锚块置于海底。
进一步的，抛物线形浮箱式防波堤单元的形状为焦距为10m的抛物线形，振荡式浮子安装在抛物线形浮箱式防波堤单元迎波侧的前方9.4m处。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)将振荡式波能浮子与抛物线形浮箱式防波堤相结合，一方面防波堤仍能达到好的消波效果，另一方面将浮子布置于防波堤迎波面前方的聚波处，能够最大化俘获波浪能量；
(2)抛物线形浮箱式防波堤能够在迎波侧前方将波浪聚集起来，波浪能密度高，消波性能好；
(3)本发明采用圆柱形振荡式浮子，其具有效率高、成本低的优点，且灵活性很强；
(4)防波堤内部设置压载舱，防波堤的固有频率可以通过调整压载舱内部的压载水进行调整，由此防波堤能适应于不同海域情况；
(5)发电系统固定安装在浮子内部，可以有效防止海水对于发电系统的侵蚀，提高使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置的示意图；
图2为本发明实施例中振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置的俯视图；
图3为本发明实施例中振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置的主视图；
图4为本发明实施例中振荡式浮子内部发电系统的示意图；
图5为本发明实施例中抛物线形浮箱式防波堤单元的横截面示意图；
图6为本发明实施例中振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置的尺寸标注图；
图7为图6的侧视图；
图8为本发明实施例中聚波区的波面高度分布图；
图9为本发明实施例中振荡式浮子发电功率对比图；
图10为本发明实施例中未布置振荡式浮子时防御区波面高度分布图；
图11为本发明实施例中布置振荡式浮子后防御区波面高度分布图。
其中，101：抛物线形浮箱式防波堤单元、102：压载水舱、103：隔板、104：锚泊系统吊环、201：振荡式浮子、202：浮子吊环、302：锚链、303：锚块、401：发电系统、402：运动系统、403：固定系统、404：弹簧系统、405：电机外壳、406：钕铁硼磁铁、407：夹板、408：滑动轴承、409：支撑杆、410：第一弹簧、411：第二弹簧、412：线圈、413：硅钢片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1-2所示，振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，包括抛物线形浮箱式防波堤单元101、锚泊系统吊环104、振荡式浮子201、浮子吊环202、锚链302、锚块303。抛物线形浮箱式防波堤单元101的形状为焦距10m的抛物线形，所占海域宽度为20m，厚度为1m，抛物线形浮箱式防波堤单元101底部设置有两个锚泊系统吊环104。振荡式浮子201的形状为圆柱形，安装在抛物线形浮箱式防波堤单元101迎波面的前方9.4m处，底部设置有三个浮子吊环202。锚泊系统吊环104和浮子吊环202分别连接有一根锚链302，锚链302的另一端各连接有一个锚块303，锚块303置于海底。锚块303和锚链302组成的锚泊系统能限制混合装置的多自由度运动，同时安装拆卸简单，面对极端海况时，装置转移比较方便。
如图3所示，抛物线形浮箱式防波堤单元101的弧线内侧为迎波侧，外侧为背波侧，弧形的弦长垂直于入射波的方向，振荡式浮子201安装于抛物线形浮箱式防波堤单元101的迎波侧前方。
如图4所示，发电系统401固定安装于振荡式浮子201的内部，可以避免海水腐蚀，延长使用寿命，也有利于发电系统401的安装与维修。发电系统包括运动系统402、固定系统403、弹簧系统404和电机外壳405。运动系统402安装于电机外壳405内，固定系统403固定安装于电机外壳405中部，弹簧系统404分别对称安装于电机外壳405内上下两端。运动系统402包括夹板407、钕铁硼磁铁406、滑动轴承408、支撑杆409，支撑杆409对称竖直安装在电机外壳内，夹板407安装在钕铁硼磁铁406周围，将钕铁硼磁铁406固定，夹板407通过滑动轴承408安装在支撑杆409上，带动钕铁硼磁铁406运动。弹簧系统404包括第一弹簧410与第二弹簧411，第一弹簧410、第二弹簧411分别安装在钕铁硼磁铁406上下两端，第一弹簧410、第二弹簧411的两端分别与钕铁硼磁铁406和电机外壳405连接。第一弹簧410和第二弹簧411用于悬挂支撑和限制运动系统402的运动幅度。固定系统403包括线圈412和硅钢片413，硅钢片413固定安装于电机外壳内壁上，线圈412安装在硅钢片413之间，
如图5所示，抛物线形浮箱式防波堤单元101内部安装有隔板103，隔板103与抛物线形浮箱式防波堤单元101底部之间的空间形成压载水舱102，压载水舱102能够将防波堤的频率调整至与实际海域频率接近。
本发明的工作原理为：安装使用时，抛物线形浮箱式防波堤单元的内侧面正对波浪方向竖直置于海面上，并将振荡式浮子安装在抛物线形浮箱式防波堤单元迎波侧的聚波处，再通过锚链分别将抛物线形浮箱式防波堤单元、振荡式浮子与锚块连接。振荡式浮子在通过运动系统相对固定系统的运动，使得线圈切割磁感线产生电流，实现利用波浪能发电。抛物线形浮箱式防波堤的消波效果更好，同时能够将迎波侧的波浪聚集起来，振荡式浮子安装在迎波侧前方的聚波处，俘获波浪能量的效率更高。压载水舱能够将防波堤的频率调整至与实际海域频率接近，同时增加防波堤的吃水深度，能够拦截更深处波浪，消波效果更好。
对于抛物线防波堤而言，在频域上存在一特殊频率，在这一频率下，防波堤后方的平均波面存在一最小值。可以通过调节防波堤吃水深度使得这一特殊频率与作业区域特征频率相等。针对中国山东省某海域的波浪环境，特征周期为Ts＝4.94s，研究本混合装置中振荡式浮子的发电性能与防波堤的消波效果。
如图6-7所示，抛物线形浮箱式防波堤各参数的选择为：焦距f＝10m，弦长l＝20m，宽度w＝1m，w’为防波堤的总宽度，吃水深度d＝5.4m。另外令振荡式浮子的垂荡运动固有周期与所给定的波浪环境的特征周期相同，确定浮子的直径L＝6m，吃水深度D＝4.33m。
为了研究本发明防波堤混合装置的聚波与防波性能，在防波堤混合装置前后各选取50m×10m的区域，称为聚波区与防御区。在两区域内，各设置200区，测量区域内的浪高分布情况。
如图8所示，聚波区波高最高处位于x＝-9.4m处，可将振荡式浮子置于此坐标处。
如图9所示，除了T＝4.2s-4.8s以外的所有计算周期内，防波堤的存在会增大振荡式浮子的发电功率，特别是在T>5s时，发电功率最大能增加2倍以上；与此同时可以发现振荡式浮子的最大发电功率所处周期也发生改变，存在防波堤会使得浮子的最大发电功率所处周期变大。因此存在防波堤时将振荡式浮子布置在聚波区波高最高处可以有效增加振荡式浮子的发电。
如图10-11所示，选取波浪周期T＝4.94s，可以发现加入振荡式浮子以后，防御区低波面区(η≤0.35m)的整体形状变化不大，呈现出类似于“C”字形，主要出现在防波堤的背波面附近。而加入振荡式浮子使得低波面区(η≤0.35m)的面积明显增加，因此振荡式浮子的加入能够有效提高防波堤的防波效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，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，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，其特征在于，包括抛物线形浮箱式防波堤单元(101)、锚泊系统吊环(104)、振荡式浮子(201)、浮子吊环(202)、锚链(302)、锚块(303)、发电系统(401)；抛物线形浮箱式防波堤单元的迎浪面侧弧线为抛物线形，背浪面侧弧线为与迎浪面侧平行设置的抛物线形，所述抛物线形浮箱式防波堤单元(101)底部设置有锚泊系统吊环(104)；所述振荡式浮子(201)安装在抛物线形浮箱式防波堤单元(101)迎波侧的前方；所述振荡式浮子(201)底部设置有浮子吊环(202)；所述浮子吊环(202)及锚泊系统吊环(104)分别连接有一根锚链(302)；所述锚链(302)的另一端与锚块(303)连接；锚块(303)放置于海底，所述发电系统(401)安装在振荡式浮子(201)内部，所述抛物线形浮箱式防波堤单元(101)内部横向安装有隔板(103)，所述隔板与抛物线形浮箱式防波堤单元底部形成压载水舱。
2.根据权利要求1所述的振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，其特征在于，所述发电系统包括运动系统(402)、固定系统(403)、弹簧系统(404)、电机外壳(405)；所述运动系统(402)安装于电机外壳(405)内部；所述固定系统(403)安装于电机外壳(405)与运动系统之间；所述弹簧系统(404)安装在运动系统(402)与电机外壳(405)之间。
3.根据权利要求2所述的振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，其特征在于，所述运动系统(402)包括夹板(407)、钕铁硼磁铁(406)、滑动轴承(408)、支撑杆(409)；所述支撑杆(409)对称竖直安装在电机外壳(405)内部两边；所述滑动轴承(408)滑动安装在支撑杆(409)上；所述夹板(407)固定安装在钕铁硼磁铁(406)周围；所述夹板(407)通过滑动轴承(408)安装在支撑杆(409)上。
4.根据权利要求2所述的振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，其特征在于，所述固定系统(403)包括线圈(412)、硅钢片(413)；所述硅钢片(413)固定安装在电机外壳(405)内壁上；所述线圈(412)安装于硅钢片(413)之间。
5.根据权利要求3所述的振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，其特征在于，所述弹簧系统(404)包括第一弹簧(410)与第二弹簧(411)；所述第一弹簧(410)和第二弹簧(411)的两端分别与钕铁硼磁铁(406)和电机外壳(405)连接。
6.根据权利要求1所述的振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置，其特征在于，所述振荡式浮子(201)的形状为圆柱形。
7.权利要求1-6任一项所述的振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：
抛物线形浮箱式防波堤单元(101)内侧正对波浪方向竖直置于海面上；
振荡式浮子(201)安装于抛物线形浮箱式防波堤单元(101)的迎波侧前方；
抛物线形浮箱式防波堤单元(101)和振荡式浮子(201)底部分别连接锚链(302)，锚链(302)另一端连接有锚块(303)，锚块(303)置于海底。
8.根据权利要求7所述的振荡式浮子与抛物线形浮箱式防波堤混合装置的安装方法，其特征在于，抛物线形浮箱式防波堤单元的形状为焦距为10m的抛物线形，振荡式浮子安装在抛物线形浮箱式防波堤单元迎波侧的前方9.4m处。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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