CN113882992B - 一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，该装置浮箱主体首尾部设有连接装置，可将多个装置单元连接成一个整体结构；浮箱主体两侧底部设有锚泊固定装置，用于将装置与海底相连固定；可变腔体机构可通过改变腔体的形状来调节浮箱内水波共振固有频率；开闭装置用以将海洋波浪能量传递到浮箱内，浮子发电装置安装在浮箱内的防水仓内，可在浮箱内波浪的作用下实现发电的功能。本发明可通过调节内部腔体的形状使浮箱内水波共振固有频率接近外部海洋波浪频率，腔体内部产生大幅水波共振运动，将外部波浪能量部分转化成电能，实现清洁能源利用，且基于腔体水波共振的消波机理使得本装置适合长波的消波作业。
Description
技术领域
本发明属于船舶与海洋工程装备设计制造技术领域，具体涉及一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置。
背景技术
防波堤在港口建设、岛屿开发和海洋工程装备防护等方面具有重要意义，按照布置方式，其主要可以分为固定式防波堤和浮式防波堤两种。固定式防波堤在近岸港口应用较为常见，但是其建造成本通常随着水深的增加而迅速增大，且维修较为困难，同时会对近岸海洋生态和水体循环造成一定不利影响，比如诱导港口淤泥堆积等。不同于固定式防波堤，浮式防波堤主要由上浮体和系泊系统组成，前者为浮式防波堤实现消波功能的主体，后者主要提供系泊定位功能。此种构型特征，使得浮式防波堤造价随水深变化较小，尤其适合深水区域，且对海洋环境较为友好。上浮体的消波机理主要分为色散和耗散：色散即通过上浮体改变外部波浪传播方式，使得入射波遭遇上浮体后，部分波浪能量反射至来波方向，但总的波浪能量保持不变；耗散则是通过合理设计上浮体构型，加速原本入射波场的流体脉动速度，在物面剪切作用下诱导形成多尺度漩涡场，结合流体粘性耗散入射波能量，或通过合理放大局部波浪幅值，使其超过极限波陡形成破碎波，进而耗散入射波能量，实现消波目的。依据消波机理，上浮体通常设计为箱型或圆筒型，实现色散消波功能，并配合下部透孔板或网衣等，实现耗散消波功能。
浮式防波堤经过了长期发展，目前在中高频波浪消波方面已经基本成熟，且具备较好的消波效果。但是，长周期波浪波长较长，且能量分布垂向跨度大。前者导致上浮体对波浪的反射系数基本为零，后者导致垂向耗散消波难以实施，二者结合，导致目前长波消波问题仍未得到有效解决，迫切需要发展一种新型浮式防波堤，以实现低频波浪消波作业。
公开号为CN105971813A的一种兼具防波堤功能浮式波能电站的结构中公开了利用浮箱结构进行消波的技术思路，在浮箱内设置有发电装置用于耗散波浪能。
公开号为CN102149918A的海浪能发生器，公开了一种发电装置，该发电装置包括漂浮物和能量转换器两部分。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，通过调整内部腔体构型，诱导外部波浪与腔体内部水波发生共振运动，并利用位于腔体内部的波浪能转换装置将外部波浪能量转换为电能，实现清洁能源利用，且基于内部腔体共振的消波机理能够有效克服现有浮式防波堤无法同时适用于短波和长波波浪消波的技术缺陷。
技术方案：一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，所述装置包括至少一组浮箱组件，浮箱组件包括浮箱主体，设置在浮箱主体首尾部的连接装置和防撞块，设置在浮箱主体两侧底部用于将装置与海底相连固定的锚泊固定装置，所述浮箱主体底部设有开口，其中连接装置可将多个装置单元连接成一个整体结构；其在所述浮箱组件中设置有与所述浮箱组件一一对应的可变腔体机构、开闭装置及浮子发电装置，可变腔体机构通过改变腔体的形状调节浮箱内水波共振固有频率；开闭装置固定在所述浮箱主体的底部，可根据外部波浪波长变化来调节浮箱主体底部开口大小，以达到最佳消波效果；浮子发电装置安装在浮箱主体内的防水仓(内，在箱体内波浪的作用下发电。
优选的，所述可变腔体机构包括长板、可伸缩短板和推拉装置，所述长板通过推拉装置对称安装在浮箱前后两侧内壁，所述可伸缩短板通过推拉装置对称安装在浮箱首尾端内壁，通过推拉装置和可伸缩短板配合改变腔体的形状。
优选的，所述可伸缩短板包括固定板、伸缩板、滑轨机构和第一液压撑杆，所述滑轨机构包括固定轨和活动轨，固定轨在两层固定板之间上下对称安装，活动轨对称固定在伸缩板的两面上，所述活动轨与固定轨相配合，将伸缩板可滑动固定在两侧固定板之间，所述推拉装置固定在外侧固定板上，固定板的一端和伸缩板的一端分别固定在前后两个长版上；第一液压撑杆一端铰接在固定轨，另一端铰接在活动轨，用来控制伸缩板的移动。
优选的，所述推拉装置包括主安装架、副安装架、剪叉机构、剪叉轴、横撑和第二液压撑杆，所述剪叉机构包括交叉设置的主剪叉臂和副剪叉臂，两组剪叉机构通过剪叉轴连接，主剪叉臂底端安装在主安装架上，主剪叉臂与副安装架之间设置有滑轮；副剪叉臂顶端安装在副安装架上，副剪叉臂与主安装架之间设置有滑轮，所述主安装架和副安装架上均设置有滑轨；所述两个副剪叉臂底端通过横撑连接，所述第二液压撑杆一端铰接在主安装架上，另一端铰接在横撑上，用来控制剪叉机构的展开和折叠。
优选的，所述开闭装置包括开闭板、支撑限位板、螺杆、带轮、同步带和驱动电机；所述开闭板的侧面开设有与螺杆螺纹相匹配的螺纹孔；所述支撑限位板两端开设有与螺杆同轴的轴承孔，用于支撑螺杆的转动和限制开闭板的最大行程；所述驱动电机与螺杆尾端相连，通过带传动同步驱动同侧两螺杆同步转动，实现控制开闭板的目的。
优选的，所述浮子发电装置通过发电装置安装板安装在浮箱内防水仓内，所述发电装置安装板上通过螺栓固定有齿轮齿条阻尼器和发电机，所述浮子漂浮在浮箱内水面上，通过牵引绳与齿轮齿条阻尼器相连，在波浪作用下，牵引所述齿轮齿条阻尼器带动发电机工作。
优选的，还包括设置在浮箱顶部的增压泵组件，所述增压泵组件通过增大浮箱内空气压力将海水从开口排出，以实现调节浮箱内液面高度和排水的功能。
优选的，所述连接装置包括两组连接吊耳和连接锚链，每个所述连接锚链一端与浮箱尾部连接吊耳相连，另一端与另一浮箱首部连接吊耳相连，实现浮箱首尾部的连接。
优选的，所述锚泊固定装置包括四个导揽孔和固定锚链，每个所述固定锚链的一端固定在导揽孔内，另一端固定在海底，将装置与海底相连固定。
本发明的有益效果：与现有的浮式消波装置相比，本发明所提供的一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置移动和组装方便，可重复使用，并同时适用于短波和长波波浪的消波；波能转换装置在转换波浪能时会消耗一部分波浪能，而浮式防波装置具有聚波的作用，将波浪能转换装置与浮式防波装置集成到一起，既可提高波浪能转换装置的转换效率，又可提升浮式防波装置的防波性能，有效保障了海上建筑物的安全运营和能源供应。
附图说明
图1为典型外部波浪场消波示意图；
图2为本发明所述装置结构示意图；
图3为本发明所述装置爆炸图；
图4为本发明所述浮箱组件结构示意图；
图5为本发明所述可变腔体结构示意图；
图6为本发明所述可伸缩短板结构示意图；
图7为本发明所述推拉装置结构示意图；
图8为本发明所述开闭装置结构示意图；
图9为本发明所述浮子发电装置结构示意图；
图10为本发明所述齿轮齿条阻尼器局部剖视图；
图11为本发明所述装置多单元体组合俯视图；
图12为本发明所述装置工作原理示意图；
图13为本发明所述装置联合工作原理示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
在实际情况中，一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置的消波原理为：首先假设浮箱内部腔体长为a，宽为b，腔体内部水深为h；为了描述腔体流体运动，引入笛卡尔直角坐标系o-xyz，其中o-xy位于腔内流体静水面上，z轴垂直向上，长度方向为x∈(0,a)，宽度方向为y∈(0,b)，深度方向为z∈(-h,0)；引入描述腔内流体运动的速度势Φ＝Re(φeiωt)，φ在腔体内部满足拉普拉斯方程，即
在腔体前、后、左、右以及底部满足法向不可穿透条件，即
通过分离变量法，可以推导得出腔内流体自由运动非零解，即
其中，l和m为任意整数，且不同时为零，k为腔体内部水波运动的波数，为如下色散方程的正实根，
ω2＝gk tanh(kh)， (8)
ω为腔体内部水波运动的圆频率；k、l和m满足如下关系
由公式(9)可知，通过合理调整a和b的值，可以改变腔内水波运动的波数k，结合公式(8)，通过合理调整腔内水深h，达到预期的腔内水波共振固有频率ωr，当浮式消波发电一体化装置外部波浪频率ω与腔内水波共振固有频率ωr接近时，便会通过浮箱底部开孔，诱导腔体出现大幅水波共振运动，并进一步通过设置在腔内的浮子发电装置转换为电能。
结合图1，图示为水深为H＝150m、波幅为A＝1m、周期为T＝11.7157s的外部波浪场在不同浮箱开口尺寸下的消波示意图，其中圆频率为ω＝2π/T＝0.5363rad/s，由色散方程ω2＝gK tanh(KH)可得波数为K＝0.0293m-1，波长为Λ＝2π/K＝214.0840m，浮箱长度方向与外部波浪传播方向垂直，内部腔体宽度为b＝40m，当腔体内部水深为h＝5m时，并取l＝0、m＝1，由公式(8)和(9)可得ωr＝0.5363rad/s，即腔体外部波浪会诱导腔体内部形成水波共振运动，实现消波发电目的。
在本发明所提供的是一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，该装置的结构如图2和图3所示。装置包括至少一组浮箱组件1，在浮箱组件1中设置有与浮箱组件1一一对应的可变腔体机构2、开闭装置3及浮子发电装置4，每组浮箱主体11尾部设有连接吊耳121，通过连接锚链122与另一浮箱的首部连接吊耳121配合以实现浮箱首尾部的连接，浮箱主体11两侧底部设有导揽孔161，通过多组固定锚链162将装置与海底相连固定；所述可变腔体机构2通过多组推拉装置23安装在浮箱主体11内壁，通过推拉装置23和可伸缩短板22配合来改变腔体的形状，以改变浮箱内部水波共振固有频率；开闭装置3对称安装在浮箱底部开口两侧，可根据外部波浪波长变化来调节开口大小，以达到最佳消波效果；浮箱顶部多组增压泵组件15通过增大浮箱内空气压力将海水从开口排出，以实现调节浮箱内液面高度和排水的功能；浮子发电装置4通过发电装置安装板42安装在浮箱内的防水仓17内，在箱体内波浪的作用下实现发电的功能。
如图4所示的是浮箱组件1的结构，包括浮箱主体11、连接装置12、防撞块13、锚泊固定装置16、增压泵组件15和防水仓17。连接装置12设置在浮箱主体11首尾端盖中心，包括两组连接吊耳121和连接锚链122，通过连接锚链122与另一浮箱的连接吊耳121相连以实现浮箱首尾部的连接，防撞块13布置在连接吊耳121四周；锚泊固定装置16设置在浮箱主体11两侧底部的，包括四个导揽孔161和固定锚链162，固定锚链162一端与导揽孔161相连，另一端与海底相连，将装置与海底相连固定；增压泵组件15通过增压泵安装板151安装在浮箱顶部。
如图5-图7所示的是可变腔体机构2的结构，包括一对长板21、一对可伸缩短板22和六个推拉装置23。一对长板21通过四个推拉装置23对称安装在浮箱两侧内壁，一对可伸缩短板22通过两个推拉装置23对称安装在浮箱首尾两端内壁，通过推拉装置23和可伸缩短板22的配合来改变腔体的形状。可伸缩短板22包括固定板221、伸缩板222、滑轨机构223和第一液压撑杆224。滑轨机构223的固定轨2231安装在两层固定板221内部上下对称布置，活动轨2232与伸缩板222相连接，通过滑轨机构223将两侧伸缩板222收缩在两层固定板221内部，第一液压撑杆224一端铰接在固定轨2231，另一端铰接在活动轨2232，来控制伸缩板的移动。推拉装置23包括主安装架231、副安装架232、剪叉机构233、剪叉轴234、横撑235、第二液压撑杆236；剪叉机构233包括交叉设置的主剪叉臂2331和副剪叉臂2332，两组剪叉机构233通过剪叉轴234连接；主剪叉臂2331底端通过螺栓安装在主安装架231上，顶端设置有滑轮，副剪叉臂2332顶端通过螺栓安装在副安装架232上，底端设置有滑轮，两个副剪叉臂2332底端连接有横撑235；主安装架231和副安装架232上均设置有与副剪叉臂2332和主剪叉臂2331滑轮相配合的滑轨；第二液压撑杆236一端铰接在主安装架231上，另一端铰接在横撑235上，来控制剪叉机构233的展开和折叠。
如图8所示的是开闭装置3的结构，包括开闭板31、支撑限位板32、螺杆33、带轮34、同步带35和驱动电机36。开闭板31的两端开设有与螺杆33螺纹相匹配的螺纹孔，可通过螺杆33的转动来带动开闭板31的移动；支撑限位板32通过螺栓固定在浮箱底部，两端开设有与螺杆33同轴的轴承孔，通过轴承与螺杆33连接；螺杆33首端安装在开闭板螺纹孔内，尾端通过联轴器与驱动电机36连接，靠近尾端处安装有带轮34，同侧两螺杆通过同步带35实现同步转动，由此控制开闭板的移动。
如图9和图10所示的是浮子发电装置4的结构，包括浮子41、牵引绳45、齿轮齿条阻尼器43、发电机44和发电装置安装板42。齿轮齿条阻尼器43和发电机44都通过螺栓安装在发电装置安装板42上；浮子41漂浮在浮箱内水面上，通过牵引绳45与齿轮齿条阻尼器43内的齿条431相连，所述齿条431下部连接弹性伸缩装置，在波浪作用下浮子41带动齿轮432转动，弹性伸缩装置带动齿条431复位，从而带动发电机44工作。
如图11所示，该装置可以根据实际海况条件和用电需求，通过连接装置12将多个装置单元自由连接成一个整体结构来扩大装置的防护海域范围。
如图12-图13所示，该装置可通过锚泊固定装置16与海底相连，灵活的调节浮箱的运动幅度和工作范围，同时使其可以适应不同水深的海域，其受海底地形和地质条件的影响较小，应用范围广泛。
根据上述实施例，本发明所提供的防波装置有效利用了防波装置的聚波作用，提高波能转换装置的效率，同时利用波浪能转换装置消耗了部分波浪能，提升浮式防波装置的防波性能，实现了功能集成。
Claims (6)
1.一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，所述装置包括至少一组浮箱组件（1），浮箱组件（1）包括浮箱主体（11），设置在浮箱主体（11）首尾部的连接装置（12）和防撞块（13），设置在浮箱主体两侧底部用于将装置与海底相连固定的锚泊固定装置（16），所述浮箱主体（11）底部设有开口，其中连接装置（12）可将多个装置单元连接成一个整体结构；其特征在于：在所述浮箱组件（1）中设置有与所述浮箱组件（1）一一对应的可变腔体机构（2）、开闭装置（3）及浮子发电装置（4），可变腔体机构（2）通过改变腔体的形状调节浮箱主体（11）内水波共振固有频率；开闭装置（3）固定在所述浮箱主体（11）的底部，可根据外部波浪波长变化来调节浮箱主体（11）底部开口大小；浮子发电装置（4）安装在浮箱主体（11）内的防水仓（17）内，在浮箱主体（11）内波浪的作用下发电；所述可变腔体机构（2）包括长板（21）、可伸缩短板（22）和推拉装置（23），所述长板（21）通过推拉装置（23）对称安装在浮箱主体（11）前后两侧内壁，所述可伸缩短板（22）通过推拉装置（23）对称安装在浮箱主体（11）首尾端内壁，通过推拉装置（23）和可伸缩短板（22）配合改变腔体的形状；述推拉装置（23）包括主安装架（231）、副安装架（232）、剪叉机构（233）、剪叉轴（234）、横撑（235）和第二液压撑杆（236），所述剪叉机构（233）包括交叉设置的主剪叉臂（2331）和副剪叉臂（2332），两组剪叉机构（233）通过剪叉轴（234）连接，主剪叉臂（2331）底端安装在主安装架（231）上，主剪叉臂（2331）与副安装架（232）之间设置有滑轮；副剪叉臂（2332）顶端安装在副安装架（232）上，副剪叉臂（2332）与主安装架（231）之间设置有滑轮，所述主安装架（231）和副安装架（232）上均设置有滑轨；所述两个副剪叉臂（2332）底端通过横撑（235）连接，所述第二液压撑杆（236）一端铰接在主安装架（231）上，另一端铰接在横撑（235）上，用来控制剪叉机构（233）的展开和折叠；所述可伸缩短板（22）包括固定板（221）、伸缩板（222）、滑轨机构（223）和第一液压撑杆（224），所述滑轨机构（223）包括固定轨（2231）和活动轨（2232），固定轨（2231）在两层固定板（221）之间上下对称安装，活动轨（2232）对称固定在伸缩板（222）的两面上，所述活动轨（2232）与固定轨（2231）相配合，将伸缩板（222）可滑动固定在两侧固定板（221）之间，所述推拉装置（23）固定在外侧固定板（221）上，固定板（221）的一端和伸缩板（222）的一端分别固定在前后两个长板（21）上；第一液压撑杆（224）一端铰接在固定轨（2231），另一端铰接在活动轨（2232），用来控制伸缩板（222）的移动。
2.根据权利要求1所述一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，其特征在于：所述开闭装置（3）包括开闭板（31）、支撑限位板（32）、螺杆（33）、带轮（34）、同步带（35）和驱动电机（36）；所述开闭板（31）的侧面开设有与螺杆（33）螺纹相匹配的螺纹孔；所述支撑限位板（32）两端开设有与螺杆（33）同轴的轴承孔，用于支撑螺杆（33）的转动和限制开闭板（31）的最大行程；所述驱动电机（36）与螺杆（33）尾端相连，通过带传动同步驱动同侧两螺杆（33）同步转动，实现控制开闭板（31）的目的。
3.根据权利要求1所述一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，其特征在于：浮子发电装置（4）通过发电装置安装板（42）安装在浮箱主体（11）内防水仓（17）内，所述发电装置安装板（42）上通过螺栓固定有齿轮齿条阻尼器（43）和发电机（44），浮子（41）漂浮在浮箱主体（11）内水面上，通过牵引绳（45）与齿轮齿条阻尼器（43）相连，在波浪作用下，牵引所述齿轮齿条阻尼器（43）带动发电机（44）工作。
4.根据权利要求1所述一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，其特征在于：还包括设置在浮箱主体（11）顶部的增压泵组件（15），所述增压泵组件（15）通过增大浮箱主体（11）内空气压力将海水从开口排出，以实现调节浮箱主体（11）内液面高度和排水的功能。
5.根据权利要求1所述一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，其特征在于：所述连接装置（12）包括两组连接吊耳（121）和连接锚链（122），每个所述连接锚链（122）一端与浮箱主体（11）尾部连接吊耳（121）相连，另一端与另一浮箱主体（11）首部连接吊耳（121）相连，实现浮箱主体（11）首尾部的连接。
6.根据权利要求1所述一种基于内部腔体水波共振的浮式消波发电一体化装置，其特征在于：所述锚泊固定装置（16）包括四个导揽孔（161）和固定锚链（162），每个所述固定锚链（162）的一端固定在导揽孔（161）内，另一端固定在海底，将装置与海底相连固定。
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