CN114150616B - 一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤 - Google Patents
一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于海岸工程、岸基工程技术领域，具体涉及一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤。本发明将可靠性高的OWC波浪能装置和岸基式防波堤结合，依据当地海域波浪条件基于Helmholtz水波共振原理设计OWC波能俘获装置，将装置的自振频率控制在海域中长波浪周期，使中长周期波浪在OWC气室内聚集共振，有效消除中长周期波对于后方陆域的作用。同时，该装置将OWC波能俘获装置和岸基式防波堤结合，二者之间的空间共享，有效降低建造成本和提高装置消浪能力，形成强消波能力、可靠性高、成本低、施工难度低的适合长周期波浪海域情况的新型岸基式防波堤布置方案。
Description
技术领域
本发明属于海岸工程、岸基工程技术领域，具体涉及一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤。
背景技术
常规柴油机发电成本高、污染重。因此，发展适合岛礁等沿海地区的海上新能源发电装置是为解决岛礁发展的重要解决手段。海洋中广泛分布着中长周期波浪，其极强的穿透力可以穿透防波堤，影响堤内水面稳定条件，对于船舶停靠、码头生产和水工建筑物造成严重危害。所以，能实现同时消除中长周期波浪和改善岛礁等地区的能源供给有很重要的现实意义。
防波堤是防御波浪入侵，形成一个相对掩蔽水域所需要的水工建筑物。位于港口水域外围，兼顾防漂沙和冰凌的入侵，赖以保证港内具有足够的水深条件和平稳的水面以满足船舶停靠、装卸和航行的要求。防波堤按照结构一般分为重型和轻型两种。重型防波堤是传统和常用的防波堤形式，包括斜坡堤、直墙堤和混成堤等；轻型防波堤是依据波浪能主要集中于表层，结合实际工程需要而研究出的新型防波堤，包括梳式防波堤、浮式防波堤等等。
波浪中能量以动能和势能的形式存在。在波浪能量捕获的过程中，通过与波浪内部的许多物理现象相互作用，产生了不同的波浪能发电。波浪能发电装置按照能量的捕获方式可以分为：振荡水柱式(Oscillating water column)，振荡浮子式和越浪式等等。振荡水柱式波浪能发电装置(OWC)是利用捕能气室俘获波浪能量。入射波在达到装置时，一部分波浪进入到捕能气室内部，在气室内形成振荡水柱，压缩气室内的空气，使其通过捕能气室上方的开孔与气室外的空气交换。在这个交换的过程中，空气通过并驱动安装的空气透平，将波浪能转化成机械能，最终将机械能转换成电能。振荡水柱式波浪能发电装置的优点是空气透平和发电机等关键部件不需要与波浪直接接触，有效防止了机械结构受到波浪冲击和海水腐蚀等不利海洋环境影响，提升了装置的整体可靠性。
目前传统坐座式防波堤整体造价成本高昂，对于工程地区海况限制性强，水体交换等环境问题，探索出消浪性能更高、经济性更优、生态环境更加友好的新型防波堤结构尤为必要。张亚群等总结了目前进行实际海况试验的波浪能发电装置，从波浪能俘获方式介绍了波浪能发电装置，目前大部分波浪能发电装置需要单独建设平台载体装置，整体造价高昂。Vicinanza等结合传统防波堤发展历史，总结了兼顾波浪能发电装置的防波堤类型以及该类防波堤的相关技术参数问题。姜海超等提出一种内含点吸收装置的振荡水柱式波能转换装置，结合振荡水柱式和点吸收式提高产电效率，并于防波堤结合兼顾海岸工程设施功能。
聚焦于岸基式防波堤在中长周期波作用下的消浪效果并不理想的问题，以降低建造成本、增强消浪特性、增强环境友好特性和改善岛礁等特殊地区能源供给为导向，结合振荡水柱式(OWC)波浪能装置和岸基式防波堤结构，基于Helmholtz水波共振原理，提出能适用于中长周期海域具备波浪能利用的新型岸基式防波堤结构形式，该结构成本和空间共享的特点能促进波浪能发电装置的工程化应用，能够为位于沿海地区、岛礁地区等中长波浪周期海域提供优良的掩护水域条件，同时改善当地能源供给问题，做到海能海用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤。
一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤，包括OWC波能俘获系统和基床支撑系统；
所述OWC波能俘获系统为OWC波能俘获装置单体以阵列方式排列组成；所述为OWC波能俘获装置单体为由OWC气室前墙2、OWC气室后墙4、OWC气室底墙5、OWC气室顶墙6、OWC气室侧墙7组成的OWC气室结构；所述OWC气室前墙2底部开设有波浪入流口；所述OWC气室结构内部通过OWC气室隔墙3划分为两个气室，两个气室通过OWC气室隔墙3底部开口互通；所述OWC气室顶墙6上开设有空气气孔1，在OWC气室顶墙6上方安装有岸基式升压站8；
所述基床支撑系统包括基床9和直立式防波堤10；所述直立式防波堤10安装在基床9后部；所述OWC波能俘获装置单体以阵列方式排列在基床9前部，各OWC波能俘获装置单体的OWC气室后墙4与直立式防波堤10贴合，相邻的OWC波能俘获装置单体通过OWC气室侧墙7连接。所述基床9为OWC波能俘获系统提供平整坐底基础；所述直立式防波堤10与波浪直接接触，能有效阻挡短周期波浪对于岸线或岛礁等陆地区域的冲刷等作用，为后方提供掩护作用，同时作为连接构件将OWC波能俘获系统和陆域连接。
进一步地，所述OWC气室结构的具体尺寸根据实际布置海域波浪情况设置，保证OWC气室的自振频率与当地实际海况波浪频率接近，使OWC气室内发生剧烈的活塞共振现象，达到最大的俘获效率，实现对波浪能到电能的最大转化，同时减少波浪对直立式防波堤10的直接作用。
进一步地，OWC气室顶墙6上开设有的空气气孔1采用空气透平。
本发明的有益效果在于：
本发明将可靠性高的OWC波浪能装置和岸基式防波堤结合，依据当地海域波浪条件基于Helmholtz水波共振原理设计OWC波能俘获装置，将装置的自振频率控制在海域中长波浪周期，使中长周期波浪在OWC气室内聚集共振，有效消除中长周期波对于后方陆域的作用。同时，该装置将OWC波能俘获装置和岸基式防波堤结合，二者之间的空间共享，有效降低建造成本和提高装置消浪能力，形成强消波能力、可靠性高、成本低、施工难度低的适合长周期波浪海域情况的新型岸基式防波堤布置方案。
附图说明
图1为本发明中OWC波能俘获装置单体的结构前视图。
图2为本发明中OWC波能俘获装置单体的结构侧视图。
图3为本发明中OWC波能俘获装置单体的结构顶视图。
图4为本发明中OWC波能俘获装置单体的结构轴测图。
图5为一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤的结构侧视图。
图6为一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤的结构顶视图。
图7为一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤的结构轴侧图(方向1)。
图8为一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤的结构轴侧图(方向2)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
振荡水柱(OWC)波浪能装置存在因为自身特性的固有频率，当入射波频率接近或等于该固有频率时，其波浪能转换效率能得到显著增强，具有可靠性高、施工难度小、营运成本较低等优点。本发明提供了一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤，能有效改善中长周期波浪消浪性能，适合于长周期海域海况下，造价低、施工难度低。
一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤，包括OWC波能俘获系统和基床支撑系统；
所述OWC波能俘获系统为OWC波能俘获装置单体以阵列方式排列组成；所述为OWC波能俘获装置单体为由OWC气室前墙2、OWC气室后墙4、OWC气室底墙5、OWC气室顶墙6、OWC气室侧墙7组成的OWC气室结构；所述OWC气室前墙2底部开设有波浪入流口；所述OWC气室结构内部通过OWC气室隔墙3划分为两个气室，两个气室通过OWC气室隔墙3底部开口互通；所述OWC气室顶墙6上开设有空气气孔1，在OWC气室顶墙6上方安装有岸基式升压站8；
所述基床支撑系统包括基床9和直立式防波堤10；所述直立式防波堤10安装在基床9后部；所述OWC波能俘获装置单体以阵列方式排列在基床9前部，各OWC波能俘获装置单体的OWC气室后墙4与直立式防波堤10贴合，相邻的OWC波能俘获装置单体通过OWC气室侧墙7连接。所述基床9为OWC波能俘获系统提供平整坐底基础；所述直立式防波堤10与波浪直接接触，能有效阻挡短周期波浪对于岸线或岛礁等陆地区域的冲刷等作用，为后方提供掩护作用，同时作为连接构件将OWC波能俘获系统和陆域连接。
OWC捕能气室的具体尺寸需要根据实际布置海域波浪情况设置，保证OWC气室的自振频率与当地实际海况波浪频率接近。当设计合理的OWC装置与波浪相互作用时，波浪的周期和OWC装置的自振频率接近，气室内发生剧烈的活塞共振现象，达到最大的俘获效率，实现对波浪能到电能的最大转化，同时减少波浪对直立式防波堤的直接作用。OWC波能俘获系统内存两个气室，各气室经过OWC气室隔墙3连接，该设计可以增大对于入射波浪的频带宽度，能更加有效适应实际海况。
OWC气室前墙2、OWC气室隔墙3、OWC气室后墙4、OWC气室底墙5、OWC气室顶墙6、OWC气室侧墙7均由钢筋混凝土预制，对应的尺寸应根据布置海域波浪情况合理设置，基于OWC水动力特性调整气室尺寸，气室自振频率和布置海域入射波周期接近，保证波能俘获效率最大化。空气透平1、岸基式升压站8应根据实际情况合理选择对应的参数。
捕能气室形状尺寸和空气透平的形状并不唯一，二者形状大小改变均属于本专利保护范围。此处以空气透平1为例，若改成其他开孔形状或增加空气透平数量等设计均在本专利设计范围以内。OWC波能俘获装置单体数量不唯一，改变装置单体数量均属于本专利保护范围。捕能气室形状和尺寸以及空气透平的开孔形状和数量的设计原理均可根据实际海况进行具体设计，使得气室内部共振频率发生偏移以提升实际海况下的消浪性能和波能俘获效率。
基床支撑系统包括基床9和直立式防波堤10组成。基床9为OWC波能俘获系统提供平整坐底基础。直立式防波堤10可与波浪直接接触，能有效阻挡短周期波浪对于岸线或岛礁等陆地区域的冲刷等作用，为后方提供掩护作用，同时可以作为连接构件将OWC波能俘获装置和陆域连接。OWC波能俘获单体装置可以按照需要阵列等方式布置在基床支撑系统上，既能满足对于部分有特别防护要求的区域对于中长周期波浪的保护，也能保证基床支撑系统对于短周期波浪的防护。因此，该新型岸基式防波堤灵活性和可靠性更高。
基床9和直立式防波堤10采用钢筋混凝土预制或现场浇筑。钢筋混凝土预制和现场浇筑需要满足直立式防波堤相关规范设计和生产。预制方式此外还需要满足预制构件浮游稳定性验证，当个单体之间连接应采用预应力混凝土浇筑，以减少或抵消外部荷载的拉应力。
本发明将可靠性高的OWC波浪能装置和岸基式防波堤结合，依据当地海域波浪条件基于Helmholtz水波共振原理设计OWC波能俘获装置，将装置的自振频率控制在海域中长波浪周期，使中长周期波浪在OWC气室内聚集共振，有效消除中长周期波对于后方陆域的作用。同时，该装置将OWC波能俘获装置和岸基式防波堤结合，二者之间的空间共享，有效降低建造成本和提高装置消浪能力，形成强消波能力、可靠性高、成本低、施工难度低的适合长周期波浪海域情况的新型岸基式防波堤布置方案。
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 (2)
1.一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤，其特征在于：包括OWC波能俘获系统和基床支撑系统；
所述OWC波能俘获系统为OWC波能俘获装置单体以阵列方式排列组成；所述OWC波能俘获装置单体为由OWC气室前墙(2)、OWC气室后墙(4)、OWC气室底墙(5)、OWC气室顶墙(6)、OWC气室侧墙(7)组成的OWC气室结构；所述OWC气室前墙(2)底部开设有波浪入流口；所述OWC气室结构内部通过OWC气室隔墙(3)划分为两个气室，两个气室通过OWC气室隔墙(3)底部开口互通；所述OWC气室顶墙(6)上开设有空气气孔(1)，在OWC气室顶墙(6)上方安装有岸基式升压站(8)；
所述基床支撑系统包括基床(9)和直立式防波堤(10)；所述直立式防波堤(10)安装在基床(9)后部；所述OWC波能俘获装置单体以阵列方式排列在基床(9)前部，各OWC波能俘获装置单体的OWC气室后墙(4)与直立式防波堤(10)贴合，相邻的OWC波能俘获装置单体通过OWC气室侧墙(7)连接；所述基床(9)用于为OWC波能俘获系统提供平整坐底基础；所述直立式防波堤(10)用于为后方提供掩护作用，同时作为连接构件将OWC波能俘获系统和陆域连接；
所述OWC气室结构的具体尺寸根据实际布置海域波浪情况设置，保证OWC气室的自振频率与当地实际海况波浪频率接近，使OWC气室内发生剧烈的活塞共振现象，达到最大的俘获效率。
2.根据权利要求1所述的一种可消中长周期波浪的新型岸基式振荡水柱防波堤，其特征在于：OWC气室顶墙(6)上开设有的空气气孔(1)采用空气透平。
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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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