CN114108546A - 集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤及其单元 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海岸工程结构技术领域，具体涉及一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元，及由该单元构成的防波堤。本发明将半圆型防波堤沉箱改造为捕能气室，在防波堤沉箱基础上建造振荡水柱式波能发电装置，一箱两用，大大减少振荡水柱式波能发电装置的建造成本。作用于半圆型沉箱上的波浪力均指向圆心，产生的总水平力小，有利于结构的抗滑、抗倾稳定性。本发明可以将堤前波浪能转换为电能，降低了堤前波浪反射和堤后的波浪透射，减小了堤前荷载作用力，进一步提高了半圆型防波堤的消浪性能、整体稳定性和安全性。本发明可在目标海域迎浪侧阵列化布置，形成兼具防波堤功能的波浪能发电场，在满足海岸防护的同时可形成大功率供电系统。

Description

集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤及其单元
技术领域
本发明属于海岸工程结构技术领域，具体涉及一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元，及由该单元构成的防波堤。
背景技术
随着化石燃料储备的枯竭，对可再生能源的需求不断增加，清洁的可再生能源的开发与利用有着更加突出的重要意义。而占地球面积71％的海洋为我们所提供的取之不尽、用之不竭的海洋能就是其中最重要的一种；波浪能则是海洋能中近期研究最多、应用最广的一种能源。在各种波浪能转换器设备中，振荡水柱式(OWC)波能发电装置概念被广泛使用，并在过去的几十年中得到了广泛的研究，设备的高能量转换效率和可靠性是设计和构建波浪能设备时最重要的两个考虑因素，当前学者较为关注优化装置几何参数以提高其流体动力学性能，对于OWC装置的生存问题研究不够充分，而波浪能装置的生存性能恰好是阻碍其商业化进程所面临的最大的问题。
防波堤是港口和海岸工程中用来防御波浪入侵、维护水域平稳的一种常见的水工建筑物。其主要结构形式有斜坡式和直立式防波堤，半圆型防波堤由堤身和底部抛石基床组成，堤身结构有半圆形构件和半圆形沉箱两种，与垂直防波堤相比，圆形墙壁上的压力作用于圆心，因此圆形防波堤通常具有较小的水平力、倾覆力矩和土基反作用力，从而具有更好的稳定性和更低的工程成本。
发明内容
本发明的目的在于克服OWC装置稳定性和生存能力差的问题，提供一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤，一方面利用防波堤结构作为波浪能发电装置安装基础可以降低发电成本；另一方面利用圆形防波堤具有较小的水平力、倾覆力矩和土基反作用力的特点，能够提高OWC装置的生存性能，保证能源的持续稳定供应。
一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元，包括抛石基床与半圆型沉箱；所述半圆型沉箱沉放于抛石基床上，半圆型沉箱整体构成振荡水柱式波能发电装置的捕能气室，半圆型沉箱两侧开口形成波浪的进出水口，半圆型沉箱上方开口形成进出气孔；所述进出气孔上连接有往复空气透平装置带动发电机进行发电，形成振荡水柱式波能发电装置。
一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤，由防波堤单元以垂直于水流方向阵列化间隔布置组成，防波堤最上方位置始终高于水位线，各防波堤单元的进出水口位于水位线以下。
进一步地，当波峰到达防波堤前侧，波浪通过捕能气室的进水孔进入，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进出气孔流向大气中，同时驱动安装在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。
进一步地，当波谷到达集成装置前侧，波浪通过捕能气室的出水孔流出，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的进出气孔流向捕能气室，同时驱动安装在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。
本发明的有益效果在于：
本发明将半圆型防波堤沉箱改造为捕能气室，在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。作用于半圆型沉箱上的波浪力均指向圆心，产生的总水平力小，有利于结构的抗滑、抗倾稳定性，可以有效弥补OWC装置生存能力差的缺陷。本发明在半圆型防波堤中集成振荡水柱式波能发电装置，可以将堤前波浪能转换为电能，降低了堤前波浪反射和堤后的波浪透射，减小了堤前荷载作用力，进一步提高了半圆型防波堤的消浪性能、整体稳定性和安全性。本发明可在目标海域迎浪侧阵列化布置，形成兼具防波堤功能的波浪能发电场，在满足海岸防护的同时可形成大功率供电系统。
附图说明
图1为本发明中集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元的结构示意图。
图2为本发明中集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元的组合结构示意图。
图3为本发明的集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元的结构左视图。
图4为本发明的集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元的结构主视图。
图5为本发明的集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元的结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
半圆型防波堤：由抛石基床5与半圆型沉箱组成。将半圆型沉箱沉放于抛石基床5上，圆心位置位于底板的底面，港外侧宜有护坡和护底块石，以提高结构的整体稳定性。将半圆型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。
本发明为了克服OWC装置稳定性和生存能力差的问题，提供看一种集成振荡水柱式(OWC)波能发电装置于半圆型防波堤的新型结构型式，振荡水柱式波能发电系统是在上述半圆型防波堤的基础上改进而来，将半圆型防波堤的沉箱两侧开口形成波浪的进出水口，进出水口高度位于水位线以下，在沉箱上方开口形成进出气孔1，其高度高于水位线，整体构成振荡水柱式波能发电装置的捕能气室2。在捕能气室2进出气孔1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。
一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤，由防波堤单元以垂直于水流方向阵列化间隔布置组成，防波堤最上方位置始终高于水位线，各防波堤单元的进出水口位于水位线以下。
当波峰到达集成装置前侧，波浪通过捕能气室进水孔3进入捕能气室2，引起捕能气室2内水面上升，进而压缩捕能气室2内空气，增加捕能气室2内空气气压，使得捕能气室2内空气气压大于大气气压，捕能气室2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。
当波谷到达集成装置前侧，波浪通过捕能气室出水孔4流出捕能气室2，引起捕能气室2内水面下降，进而抽空捕能气室2内空气，降低捕能气室2内空气气压，使得捕能气室2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2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。
本发明将半圆型防波堤沉箱改造为捕能气室，在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。作用于半圆型沉箱上的波浪力均指向圆心，产生的总水平力小，有利于结构的抗滑、抗倾稳定性，可以有效弥补OWC装置生存能力差的缺陷。
本发明在半圆型防波堤中集成振荡水柱式波能发电装置，可以将堤前波浪能转换为电能，降低了堤前波浪反射和堤后的波浪透射，减小了堤前荷载作用力，进一步提高了半圆型防波堤的消浪性能、整体稳定性和安全性。本发明可在目标海域迎浪侧阵列化布置，形成兼具防波堤功能的波浪能发电场，在满足海岸防护的同时可形成大功率供电系统。
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 (4)

1.一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元，其特征在于：包括抛石基床(5)与半圆型沉箱；所述半圆型沉箱沉放于抛石基床(5)上，半圆型沉箱整体构成振荡水柱式波能发电装置的捕能气室(2)，半圆型沉箱两侧开口形成波浪的进出水口(3，4)，半圆型沉箱上方开口形成进出气孔(1)；所述进出气孔(1)上连接有往复空气透平装置带动发电机进行发电，形成振荡水柱式波能发电装置。
2.基于权利要求1所述的一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤单元的防波堤，其特征在于：由防波堤单元以垂直于水流方向阵列化间隔布置组成，防波堤最上方位置始终高于水位线，各防波堤单元的进出水口(3，4)位于水位线以下。
3.根据权利要求2所述的一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤，其特征在于：当波峰到达防波堤前侧，波浪通过捕能气室(2)的进水孔(3)进入，引起捕能气室(2)内水面上升，进而压缩捕能气室(2)内空气，增加捕能气室(2)内空气气压，使得捕能气室(2)内空气气压大于大气气压，捕能气室(2)内高压空气通过进出气孔(1)流向大气中，同时驱动安装在进出气孔(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。
4.根据权利要求2所述的一种集成振荡水柱式波能发电装置的半圆型防波堤，其特征在于：当波谷到达集成装置前侧，波浪通过捕能气室(2)的出水孔(4)流出，引起捕能气室(2)内水面下降，进而抽空捕能气室(2)内空气，降低捕能气室(2)内空气气压，使得捕能气室(2)内空气气压小于大气气压，大气中高压空气通过捕能气室的进出气孔(1)流向捕能气室(2)，同时驱动安装在进出气孔(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。
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