CN114802624A - 一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋空间及海洋能源利用领域，提出了一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统。该集成结构系统对六边形张力腿平台模块、箱型浮式人工鱼礁模块以及波浪能装置进行了科学的模块化集成，实现了海洋空间、能源以及生物资源的综合利用；六边形张力腿平台模块用于节约锚泊系统布置空间以及对模块化浮体结构系统进行多方向拓展；外侧浮式人工鱼礁模块具有改善集成结构系统周围海洋生态环境和减弱多方向入射波浪荷载的效果；波浪能发电装置有效利用外侧人工鱼礁与六边形张力腿平台的相对运动进行波浪能发电，为该浮式集成结构系统提供可观的电力供给。该新型模块化集成结构系统的空间构型优美，具有显著的多功能及可多方向拓展特征。
Description
技术领域
本发明涉及海洋空间及海洋能源利用领域，具体涉及多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统。
背景技术
由于21世纪工业化的快速发展以及沿海城市人口的迅速增长，沿海陆地空间资源的开发已趋于极限，这迫切需要向海洋拓展空间及获取重要海洋资源。传统“填海造陆”拓展空间的方法受诸多客观条件制约，并且会对海洋环境产生不可逆的影响。
随着人类环境保护意识的提高，世界各国纷纷叫停了填海造陆，并将目光投向更加环保、经济、且适用范围更广的超大型浮体结构技术。所谓超大型浮体结构是一种尺度以千米计的大型海洋浮式结构物，可以用于扩展沿海城市和重要岛礁区域的陆域面积，也可以为不同水深条件下的海洋资源开发提供重要支撑平台。
鉴于超大型浮体结构尺寸巨大，生命周期要求高，受到的环境荷载作用复杂，为减少结构应力，对超大型浮体结构进行科学的模块化集成便具有极其重要的意义。相比于超大型浮体结构，模块化浮体结构具有便于安装、拓展、拆卸，施工期短，机动性和灵活性高等优势。
海洋中蕴藏着清洁的可再生能源,其中波浪能是被利用最为广泛的海洋能源之一。然而，在波浪荷载作用下，波浪能装置的生存风险较大，并且单独布设的成本较高。若将波浪能装置与模块化浮体结构相集成，则可以有效改善上述问题。此外，波浪能装置可以吸收波浪能量，减小波浪荷载对模块化浮体结构的影响，同时为海上平台提供可观的能源供给。
在海洋资源探索和开发的过程中，不可避免地会对海洋生态环境造成一定程度的破坏。人工鱼礁作为一种模拟天然礁石的人工设施，具有集聚鱼类和其它海洋生物的功能，为海洋生物提供栖息地，进而对海洋生态环境产生一定的修复作用。若将浮式人工鱼礁作为浮式防波堤连接于模块化浮体结构的外侧，则可以有效减弱传递的波浪能量，进而提升内部模块的稳定性，同时一定程度改善海洋生态环境。
目前，现有技术中仍缺少对六边形张力腿平台、浮式人工鱼礁以及波浪能装置进行科学模块化集成的工程实例；也缺少多方向拓展的模块化浮体集成结构系统的工程实例。因此，本发明旨在提出一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统，实现海洋空间、能源以及生物资源的综合利用。
发明内容
本发明主要解决的技术问题有：提出一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统，该系统主要包括内部六边形张力腿平台模块、外侧箱型浮式人工鱼礁模块、张力腿系泊系统、铰接连接器以及波浪能发电装置，实现了海洋空间、能源以及生物资源的综合利用。六边形结构具有可多向拓展的特性，张力腿系统具有节约锚泊系统布置空间的优点，因此便于对此模块化浮体结构系统进行多方向拓展；浮式人工鱼礁模块连接在六边形张力腿平台模块外侧，既具有汇聚鱼群改善集成结构系统周围海洋生态环境的功能，也具有减弱多方向入射波浪荷载的效果；波浪能装置集成于六边形张力腿平台模块和浮式人工鱼礁模块之间的铰接连接器，在波浪荷载作用下，利用模块间的相对运动驱动波浪能装置进行发电，从而为结构系统提供可观的电力供给。
本发明所采用的技术方案如下：一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统，包括六边形张力腿平台模块1、箱型浮式人工鱼礁模块2、盖板3、张力腿系统4、铰接连接器5和集成波浪能发电装置的铰接连接器6；
集成波浪能发电装置的铰接连接器6包括液压发电系统和铰接连接器5；液压发电系统包括水平活塞杆10、液压缸11、第一单向入流阀12、第一单向出流阀13、第二单向入流阀14、第二单向出流阀15、储能器16、节流阀17、发电装置18和液压马达19；
六边形张力腿平台模块1沿三条边进行模块化拓展，三条边互不相邻；箱型浮式人工鱼礁模块2连接在扩展的各六边形张力腿平台模块1外侧，六边形张力腿平台模块1与箱型浮式人工鱼礁模块2组成的结构在空间布局上呈120°中心对称；
铰接连接器5用于连接相邻六边形张力腿平台模块1，其包括单连接杆件7、双连接杆件8和固定轴9；单连接杆件7和双连接杆件8间设有固定轴9，二者分别连接相邻的六边形张力腿平台模块1，相邻六边形张力腿平台模块1绕固定轴9发生相对转动，可以显著减小连接器荷载，有利于结构相同的多模块拓展。
集成波浪能发电装置的铰接连接器6用于六边形张力腿平台模块1与箱型浮式人工鱼礁模块2的连接；液压发电系统置于六边形张力腿平台模块1内，水平活塞杆10一端于液压缸11内，另一端连接单连接杆件7；单连接杆件7通过固定轴9连接双连接杆件8一端，双连接杆件8的另一端连接箱型浮式人工鱼礁模块2；六边形张力腿平台模块1与箱型浮式人工鱼礁模块2发生相对水平运动或绕固定轴9发生相对转动，进而驱使双连接杆件8绕固定轴9带动单连接杆件7，使水平活塞杆10在液压缸11内进行往复水平运动；当水平活塞杆10进行压缩运动时，液压缸11内的液体从第一单向入流阀12进入，经节流阀17流入液压马达19，驱动发电装置18，之后液体经第一单向出流阀13流回液压缸11；当水平活塞杆10进行拉伸运动时，液压缸11内的液体从第二单向入流阀14进入，经节流阀17流入液压马达19，驱动发电装置18进行能量转换，之后液体经第二单向出流阀15流回液压缸11；储能器16用于稳定液压系统压力。
所述六边形张力腿平台模块1均采用张力腿系统4系泊于海底，4根张力腿对称分布于各六边形张力腿平台模块1底部，每根张力腿包含若干张力筋腱。相比于锚链系泊，由于张力腿系统4垂直布设的特点，可以有效避免模块化浮体结构下部海域内锚链纵横交错的复杂现象，对模块化浮体结构的规模拓展十分有利。
所述相邻六边形张力腿平台模块1之间铺设盖板3，用于连通各六边形张力腿平台模块1，便于人员、物资的流通；六边形张力腿平台模块1与箱型浮式人工鱼礁模块2之间安装弹性防碰撞装置20。
所述弹性防碰撞装置20主要用于防止相邻六边形张力腿平台模块1与箱型浮式人工鱼礁模块2之间在恶劣海况下可能发生的相对碰撞。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)所述新型多功能模块化浮体集成结构系统以六边形张力腿平台模块为子模块，发挥六边形结构的多向拓展性，沿三个方向进行模块化拓展，在空间布局上呈现中心120°对称，具有结构优美性，可作为海上漂浮城市的多功能子模块。此外，张力腿垂直布设的特点节约海域布置空间，非常适用于模块化浮体结构的规模拓展。
(2)本发明将六边形张力腿平台模块、浮式人工鱼礁模块以及波浪能装置进行了科学的模块化集成，设计了一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统，实现了海洋空间、海洋能源以及海洋生物资源的综合利用。
(3)浮式人工鱼礁模块连接在各六边形张力腿平台模块的外侧，即具有汇聚鱼群改善集成结构系统周围海洋生态环境的功能，也可以从多个方向减弱入射波浪荷载，有效提升内部六边形张力腿平台模块的稳定性。
(4)波浪能装置与铰接连接器相集成，用于相邻六边形张力腿平台模块与浮式人工鱼礁模块的连接，可以有效利用外侧人工鱼礁与六边形张力腿平台的相对运动进行波浪能发电，为该浮式集成结构系统提供可观的电力供给。
附图说明
图1(a)是本发明一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统的俯视示意图。
图1(b)是本发明一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统的正视示意图
图2是本发明一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统去处盖板的俯视示意图。
图3(a)是相邻六边形张力腿平台模块间铰接连接器的俯视示意图。
图3(b)是相邻六边形张力腿平台模块间铰接连接器的正视示意图。
图4(a)是六边形张力腿平台模块与相邻浮式人工鱼礁模块间集成波浪能发电装置的铰接连接器的俯视示意图。
图4(b)是六边形张力腿平台模块与相邻浮式人工鱼礁模块间集成波浪能发电装置的铰接连接器的正视示意图。
图中：1六边形张力腿平台模块；2箱型浮式人工鱼礁模块；3盖板；4张力腿系统；4a张力腿上部连接位置；4b张力腿海底固定位置；5铰接连接器；6集成波浪能发电装置的铰接连接器；7单连接杆件；8双连接杆件；9固定轴；10水平活塞杆；11液压缸；12第一单向入流阀；13第一单向出流阀；14第二单向入流阀；15第二单向出流阀；16、储能器；17节流阀；18发电装置；19液压马达；20弹性防碰撞装置。
具体实施方式
为进一步理解本发明，下面将参照附图并结合具体实施例作进一步说明。
如图1(a)所示，本发明多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统包括4个六边形张力腿平台模块1、3个箱型浮式人工鱼礁模块2、盖板3、张力腿系统4、铰接连接器5以及集成波浪能发电装置的铰接连接器6。
多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统以一个六边形张力腿平台模块1为子模块，沿三个方向展开模块化拓展，使结构系统空间上呈现120°中心对称，之后沿三个方向的六边形张力腿平台模块1外侧连接箱型浮式人工鱼礁模块2。箱型浮式人工鱼礁模块2的结构内部中空，具有浮力等于重力的自平衡性，不会显著增大连接装置的负载。
如图1(b)所示，各六边形张力腿平台模块1均采用张力腿系统4系泊于海底。4根张力腿对称分布于各六边形张力腿平台模块1的底部，每根张力腿均包含若干张力筋腱。受张力腿系统4自身特性的影响，各六边形张力腿平台模块1所受浮力将远大于自身重力，可以有效限制平台的垂荡、纵摇和横摇运动，进一步保障内部模块的稳定性。此外，由于张力腿垂直布设的特点，可以节约海域面积，对结构系统的模块化规模拓展十分有利。
如图2所示，相邻六边形张力腿平台模块1之间采用铰接连接器5连接，相邻六边形张力腿平台模块1之间可以绕固定轴9发生相对转动，进而释放了铰接连接器5所受弯矩，有效降低了连接器荷载，利于结构系统的多模块拓展。
盖板3铺设于相邻六边形张力腿平台模块1之间，用于连通各六边形张力腿平台模块，便于人员、物资的流通。
如图4(a)所示，六边形张力腿平台模块1和箱型浮式人工鱼礁模块2之间通过集成波浪能发电装置的铰接连接器6连接。在波浪荷载作用下，相连接的六边形张力腿平台模块1和箱型浮式人工鱼礁模块2之间将会发生相对水平运动或绕固定轴9的相对转动，进而驱使液压发电系统进行能量转换，为内部平台提供可观的能源供给。
如图4(b)所示，集成波浪能发电装置的铰接连接器的结构包括单连接杆件7、双连接杆件8、固定轴9、水平活塞杆10、液压缸11、第一单向入流阀12、第一单向出流阀13、第二单向入流阀14、第二单向出流阀15、储能器16、节流阀17、发电装置18和液压马达19。
水平活塞杆10伸入液压缸11内，液压缸11通过两管路连通；一管路上依次过第一单向入流阀12、节流阀17、液压马达19、另一节流阀17和第一单向出流阀13将液压缸11连通，另一管路上依次过第二单向入流阀14、节流阀17、液压马达19、另一节流阀17和第二单向出流阀15将液压缸11连通；液压马达19连接至发电装置18。
波浪能发电装置即液压发电系统的发电原理为：在波浪荷载作用下，相连接六边形张力腿平台模块1和箱型浮式人工鱼礁模块2之间将会发生相对水平运动或绕固定轴9的相对转动，驱使双连接杆件8发生水平运动或绕固定轴9转动，进而带动单连接杆件7发生水平运动，进而推动与单连接杆件7固结的水平活塞杆10在液压缸11内发生水平往复运动。当水平活塞杆10进行压缩运动时，液压缸11内的液体从第一单向入流阀12流入，经节流阀17流入液压马达19，驱动发电装置18进行能量转换，之后经第一单向出流阀13流出；当水平活塞杆10进行拉伸运动时，液压缸11内的液体从第二单向入流阀14流入，经节流阀17流入液压马达19，驱动发电装置18进行能量转换，之后经第二单向出流阀15流出。经此往复运动，波浪能装置将为浮式平台提供可观的清洁能源供给。
本发明设计要结合以下因素：
(1)所述六边形张力腿平台模块1的具体结构尺寸应结合工程实际以及船坞大小进行优化设计；所述箱型浮式人工鱼礁模块2的开孔率应结合选址地点的海域环境及生存鱼类进行优化设计。
(2)所述多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统的安装布设应参考选址海域的水深及海底地质条件进行优化设计；张力腿的初始预张力设置应充分考虑结构系统的工程用途。
(3)波浪能发电装置的相关参数设计应结合选址海域的波浪特征进行优化选取，进而获取最大的能量输出。
多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统的具体施工安装流程如下：
首先在船坞调试好各个连接构件，并将液压发电系统和弹性防碰撞装置20安装在预设位置；在选址海域的海底固定张力腿海底固定位置4b；之后通过专业运输船将六边形浮体模块拖航至张力腿上部连接位置4a；
进行六边形张力腿平台模块1与张力腿系统4的连接；将铰接连接器5安装于相邻六边形张力腿平台模块1之间；
通过专业运输船将箱型浮式人工鱼礁模块2分别拖航至各六边形张力腿平台模块1外侧；通过集成波浪能装置的铰接连接器6对相邻六边形张力腿平台模块1和箱型浮式人工鱼礁模块2进行连接。
在相邻六边形张力腿平台模块1之间铺设盖板3。至此，多向拓展的模块化浮体集成结构系统的安装工作已全部完成。
Claims (3)
1.一种多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统，其特征在于，该多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统包括六边形张力腿平台模块(1)、箱型浮式人工鱼礁模块(2)、盖板(3)、张力腿系统(4)、铰接连接器(5)和集成波浪能发电装置的铰接连接器(6)；
集成波浪能发电装置的铰接连接器(6)包括液压发电系统和铰接连接器(5)；液压发电系统包括水平活塞杆(10)、液压缸(11)、第一单向入流阀(12)、第一单向出流阀(13)、第二单向入流阀(14)、第二单向出流阀(15)、储能器(16)、节流阀(17)、发电装置(18)和液压马达(19)；
六边形张力腿平台模块(1)沿三条边进行模块化拓展，三条边互不相邻；箱型浮式人工鱼礁模块(2)连接在扩展的各六边形张力腿平台模块(1)外侧，六边形张力腿平台模块(1)与箱型浮式人工鱼礁模块(2)组成的结构在空间布局上呈120°中心对称；
铰接连接器(5)用于连接相邻六边形张力腿平台模块(1)，其包括单连接杆件(7)、双连接杆件(8)和固定轴(9)；单连接杆件(7)和双连接杆件(8)间设有固定轴(9)，二者分别连接相邻的六边形张力腿平台模块(1)，相邻六边形张力腿平台模块(1)绕固定轴(9)发生相对转动；
集成波浪能发电装置的铰接连接器(6)用于六边形张力腿平台模块(1)与箱型浮式人工鱼礁模块(2)的连接；液压发电系统置于六边形张力腿平台模块(1)内，水平活塞杆(10)一端于液压缸(11)内，另一端连接单连接杆件(7)；单连接杆件(7)通过固定轴(9)连接双连接杆件(8)一端，双连接杆件(8)的另一端连接箱型浮式人工鱼礁模块(2)；六边形张力腿平台模块(1)与箱型浮式人工鱼礁模块(2)发生相对水平运动或绕固定轴(9)发生相对转动，进而驱使双连接杆件(8)绕固定轴(9)带动单连接杆件(7)，使水平活塞杆(10)在液压缸(11)内进行往复水平运动；当水平活塞杆(10)进行压缩运动时，液压缸(11)内的液体从第一单向入流阀(12)进入，经节流阀(17)流入液压马达(19)，驱动发电装置(18)，之后液体经第一单向出流阀(13)流回液压缸(11)；当水平活塞杆(10)进行拉伸运动时，液压缸(11)内的液体从第二单向入流阀(14)进入，经节流阀(17)流入液压马达(19)，驱动发电装置(18)进行能量转换，之后液体经第二单向出流阀(15)流回液压缸(11)；储能器(16)用于稳定液压系统压力。
2.根据权利要求1所述的多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统，其特征在于，所述六边形张力腿平台模块(1)均采用张力腿系统(4)系泊于海底，4根张力腿对称分布于各六边形张力腿平台模块(1)底部，每根张力腿包含若干张力筋腱。
3.根据权利要求1所述的多向拓展的多功能模块化浮体集成结构系统，其特征在于，所述相邻六边形张力腿平台模块(1)之间铺设盖板(3)；六边形张力腿平台模块(1)与箱型浮式人工鱼礁模块(2)之间安装弹性防碰撞装置(20)。
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