CN115076014A - 一种基于防波堤的波浪能联合发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，包括：借助于锚链固定在水域内的具有浮式箱体的防波堤；设置于防波堤前侧的摆式波浪能发电模块，包括相互连接的弧形挡板和液压PTO装置；振荡水柱式波浪能发电模块，包括设置于浮式箱体内部的喇叭型气室、固定在喇叭型气室顶部的风机；安装在浮式箱体尾部支架上的振荡浮子式波浪能发电模块，包括竖直的立柱、可滑动地套装于立柱上的振荡浮子。本发明以浮式防波堤为载体，可根据波浪特性高效率地转化成动能，再利用磁感应及液压PTO发电；同时利用振荡水柱压缩空气柱，带动风机转动将波浪能转化成电能。本发明发电效率高，具有良好的推广前景。

Description

一种基于防波堤的波浪能联合发电装置
技术领域
本发明属于波浪发电和防波堤技术领域，涉及一种基于防波堤的波浪能联合发电装置。
背景技术
随着全球能源危机的日益加剧，能源已成为21世纪最严峻的问题之一。作为一种可再生能源，海洋能具有很大的利用价值和开发前景，其中波浪能应用最为广泛。
现有的波浪能捕获技术，有振荡浮子式、振荡水柱式、鸭式、摆式等。其中振荡浮子式波浪能发电技术，具有转化效率高、容易建造、成本低、不易受制于波浪方向等优点。振荡水柱式发电是应用最广泛的波浪能发电技术，其装置本身简洁且坚固，机电部分不接触海水，故障率低，维护方便。振荡浮子式装置是依靠浮子的随波浪的上下振荡而转化成机械能，然后转化为电能的一种方式。而振荡水柱式装置是利用装置内水柱在波浪能的作用下作上下往复运动，压缩上方气室内的空气，通过气室上方的出气孔流经风机发电装置实现波浪能转化为电能。液压PTO(Power Take Off,取力器)发电装置是利用波浪带动弧形挡板将波浪能转化为液压能再转化为电能。
“一种集成OWC气室的桩基防波堤方案设计与试验研究”一文(于定勇.曲铭.谢雨嘉，中国海洋大学工程学院.2021.42(10),379-386)，公开了一种防波堤与波浪发电装置，其防波堤均为坐底式结构，对周边泥沙输运和环境影响较大，不能同时满足波浪能发电、消浪和生态友好的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，采用新型桩基透空式防波堤结构，可结合振荡水柱式、振荡浮子式和摆式波浪能发电装置联合发电，能充分利用海洋的长波、短波及余波浪的能量，来提高波浪能的发电效率，同时具有消浪功能。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，包括：
浮式防波堤，借助于锚链固定在水域内，包括浮式箱体、前曲面板、后曲面板、前阻尼板、后阻尼板；其下部固定有一个向后方伸出的钢板，构成一个尾部支架；
摆式波浪能发电模块，设置于防波堤前侧，包括相互连接的弧形挡板和液压PTO装置；
振荡水柱式波浪能发电模块，安装在喇叭型气室中部的近后侧处，包括设置于浮式箱体内部的喇叭型气室、固定在喇叭型气室顶部的风机；风机内设有发电机，通过转轴与风机相连；
振荡浮子式波浪能发电模块，安装在浮式箱体尾部支架上，包括竖直的立柱、可滑动地套装于立柱上的振荡浮子；振荡浮子内固定有线圈，立柱内设有磁体；立柱的上下两端固定在浮式箱体后方伸出的钢板上。
进一步的，所述的弧形挡板顶部与液压PTO装置一端固定，其底部连接在浮式箱体底部；液压PTO装置的另一端与浮式箱体顶部相连接。所述的弧形挡板与液压PTO装置为铰接连接。所述的浮式箱体内部设有舱室，其前后分别与前曲面板、后曲面板相连接，底部分别与前阻尼板、后阻尼板相连接。所述的前阻尼板、后阻尼板均与锚链相固定。
进一步的，还具有一个外部漂浮模块，包括所述的前阻尼板、后阻尼板、锚链和浮式箱体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明以一种浮式防波堤为载体，可以捕获波浪两个维度方向的波浪能，根据波浪特性高效率地转化成动能，再利用磁感应发电以及液压PTO发电；同时利用振荡水柱压缩空气柱，带动风机转动将波浪能转化成电能。通过自主控制实施模块发电、蓄电、放电，属于智能化波浪能发电平台的应用。本发明能有效的利用波浪的长波和短波，克服了能量利用形式单一的问题，同时具有防波堤消浪的优点，符合波浪能生电时代发展的趋势。
2.设计了“倒π”型浮式防波堤优化构型，迎浪阻尼板与去浪圆弧形尾的组合利用，有效降低了防波堤的运动响应，同时提高了消波效率。
3.基于浮式防波堤，结合波浪短中长波的传输特性，分别设计了振荡摆式、振荡水柱式和振荡浮子式的多级能量捕获形式，实现浮式防波堤与波浪能利用的一体化设计，既能充分利用现有浮式防波堤载体，促进波浪能的消化利用，提高消波效率，同时转换的波浪能为防波堤内部电控设备提供电能需求。
4.充分考虑短波的冲击性能以及长波的透射性能，分别设计了“月牙”型摆板、“颈缩”型腔室构型及“海豚”式振荡浮子，为波浪能的高效利用提供了充分的设计思路。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的结构主视示意图。
图2为本发明的一个实施例的结构俯视示意图。
图3为本发明的一个实施例的结构左视示意图。
图4为本发明的一个实施例的结构右视示意图。
图5为本发明一个实施例的结构3D结构示意图。
图中：10弧形挡板；11液压PTO装置；20喇叭型气室；21风机；30振荡浮子；31立柱；40浮式箱体；41前曲面板；42后曲面板；43前阻尼板；44后阻尼板；45锚链。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
假设波浪由图1右侧扑来，则迎着浪的一侧定义为前方。
如图1-4所示，本发明的一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，包括：浮式防波堤、设置于浮式防波堤上的摆式波浪能发电模块、振荡水柱式波浪能发电模块、振荡浮子式波浪能发电模块。
所述的摆式波浪能发电模块，用于捕获短周期波浪能量，降低波浪的冲击效应，包括弧形挡板10、液压PTO装置11。
弧形挡板10顶部固定有液压PTO装置11，且弧形挡板10底部连接在浮式箱体40底部，液压PTO装置11的另一端与浮式箱体40顶部相连接。
摆式弧形挡板10、液压PTO装置11，组成短波发电系统，弧形挡板10和液压PTO装置11相连接。优选的，所述的弧形挡板10与液压PTO装置11为铰接连接，安装在防波堤前侧。
当波浪迎来时，波浪推动弧形挡板10使其绕于浮式箱体40铰接处作圆弧运动，来压缩弧形挡板10与浮式箱体40顶部之间的液压PTO装置11，主要将波浪中的短波能量转化为电能。
所述的振荡水柱式波浪能发电模块，用于捕获中短波能量以及提供“月池”效应，包括喇叭型气室20、风机21。
喇叭型气室20固定在浮式箱体40内部，所述风机21内设有发电机，并固定在喇叭型气室20顶部，通过转轴与风机21相连。
喇叭型气室20、风机21组成长波发电系统，所述喇叭型气室20、风机21之间为固定连接，安装在喇叭型气室20后侧五分之二处。波浪向着防波堤移动，当波峰接近喇叭型气室20时，水进入喇叭型气室20，推动喇叭型气室20水位上升，上升的水位使喇叭型气室20内气压增加，喇叭型气室20内的空气通过上方气孔排出，由于气孔狭小，气体高速喷出；当波谷接近喇叭型气室20时，水从喇叭型气室20抽出，喇叭型气室20内水位下降，下降的水位使喇叭型气室20内气压降低，外面空气通过出入孔高速进入喇叭型气室20，带动风机21转动，从而将波浪能转换为机械能，风机21上连接发电机，将机械能转化为电能，从而完成振荡水柱发电装置的能量转换。
所述的振荡浮子式波浪能发电模块，用于捕获长波的能量以及降低尾波的辐射，包括振荡浮子30、立柱31。
振荡浮子30内固定有线圈，且设置立柱31，所述立柱31的中间设有磁体，且立柱31的上下两端固定在浮式箱体40后方伸出的钢板上。
振荡浮子30、立柱31组成余波发电系统，所述振荡浮子30在立柱31上呈上下移动结构，安装在浮式箱体尾部支架上。
当振荡浮子30进行垂荡运动时，其内部安装的线圈，将对固定在立柱31上的磁体作切割磁感线运动，来进行发电，大大提高了对于波浪能的利用率。
所述的浮式防波堤，用于浮式防波堤除消波外，还兼具波浪能转换装置的载体，能够有效的消波以及减少运动相应降低波浪的向外辐射，借助于锚链45固定在水域内，包括浮式箱体40、前曲面板41、后曲面板42、前阻尼板43、后阻尼板44；其下部固定有一个向后方伸出的钢板，构成一个尾部支架。
浮式箱体40内部设有舱室，且前后分别与前曲面板41，后曲面板42相连接，底部分别于前阻尼板43，后阻尼板44相连接。所述前阻尼板43，后阻尼板44均与锚链45相固定。
防波堤前阻尼板43、后阻尼板44、锚链45、浮式箱体40组成外部漂浮模块。外部漂浮模块在锚链45和前阻尼板43、后阻尼板44的作用下，外部漂浮模块处于相对的稳定状态中，所受结构运动相对于内部运动模块可以忽略不计，即将外部漂浮模块处于一个相对地面静止的状态。
优选的，所述浮式箱体40尾部弧形板减少浮式箱体40晃动产生的尾波，提升防波堤的消波能力。
本发明的工作原理：基于防波堤的波浪能联合发电装置通过锚链45固定在水域内某一规定范围内，在前阻尼板43、后阻尼板44的作用下，外部漂浮模块处于相对的稳定状态中，所受结构运动相对于内部运动模块可以忽略不计，即将外部漂浮模块处于一个相对地面静止的状态，通过浮式箱体40构成的外部漂浮模块，能够加强中间发电机构稳定的工作状态。
当波浪迎来，波浪推动弧形挡板10使其绕于浮式箱体40铰接处作圆弧运动，来压缩弧形挡板10与浮式箱体40顶部之间的液压PTO装置11，将波浪中的短波能量转化为电能。部分波浪向着防波堤移动，当波峰接近喇叭型气室20时，水进入喇叭型气室20，推动喇叭型气室20水位上升，上升的水位使喇叭型气室20内气压增加，喇叭型气室20内的空气通过上方气孔排出，由于气孔狭小，气体高速喷出；当波谷接近喇叭型气室20时，水从喇叭型气室20抽出，喇叭型气室20内水位下降，下降的水位使喇叭型气室20内气压降低，外面空气通过出入孔高速进入喇叭型气室20，带动风机21转动，从而将波浪能转换为机械能，风机21上连接发电机，将机械能转化为电能，从而完成振荡水柱发电装置的能量转换。经过前两部分装置的消波，仅剩的波浪带动振荡浮子30进行垂荡运动时，其内部安装的线圈，将对固定在立柱31上的磁体作切割磁感线运动，来进行发电，大大提高了对于波浪能的利用率。
在整个过程中，波浪会造成装置的移动，因为后曲面板42的存在，有效地降低了因平台的移动而造波情况的发生。

Claims (7)

1.一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，其特征在于，包括：
浮式防波堤，借助于锚链(45)固定在水域内，包括浮式箱体(40)、前曲面板(41)、后曲面板(42)、前阻尼板(43)、后阻尼板(44)；其下部固定有一个向后方伸出的钢板，构成一个尾部支架；
摆式波浪能发电模块，设置于防波堤前侧，包括相互连接的弧形挡板(10)和液压PTO装置(11)；
振荡水柱式波浪能发电模块，包括设置于浮式箱体(40)内部的喇叭型气室(20)、固定在喇叭型气室(20)顶部的风机(21)；风机(21)内设有发电机，通过转轴与风机(21)相连；
振荡浮子式波浪能发电模块，安装在浮式箱体(40)尾部支架上，包括竖直的立柱(31)、可滑动地套装于立柱(31)上的振荡浮子(30)；振荡浮子(30)内固定有线圈，立柱(31)内设有磁体；立柱(31)的上下两端固定在浮式箱体(40)后方伸出的钢板上。
2.根据权利要求1所述的一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，其特征在于，所述的弧形挡板(10)顶部与液压PTO装置(11)一端固定，其底部连接在浮式箱体(40)底部；液压PTO装置(11)的另一端与浮式箱体(40)顶部相连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，其特征在于，所述的弧形挡板(10)与液压PTO装置(11)为铰接连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，其特征在于，所述的振荡水柱式波浪能发电模块，安装在喇叭型气室(20)中部的近后侧处。
5.根据权利要求1所述的一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，其特征在于，所述的浮式箱体(40)内部设有舱室，其前后分别与前曲面板(41)、后曲面板(42)相连接，底部分别与前阻尼板(43)、后阻尼板(44)相连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，其特征在于，所述的前阻尼板(43)、后阻尼板(44)均与锚链(45)相固定。
7.根据权利要求1，5，6任一项所述的一种基于防波堤的波浪能联合发电装置，其特征在于，具有一个外部漂浮模块，包括所述的前阻尼板(43)、后阻尼板(44)、锚链(45)和浮式箱体(40)。
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