CN212641392U - 一种波能发电及防波护坡组合系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种波能发电及防波护坡组合系统，包括并列布置的波能发电系统和防波护坡结构，波能发电系统由波能聚焦装置以及发电装置组成，波能聚焦装置基于布拉格共振原理设计，由若干聚焦阵列周期性排列组成，发电装置放置于波能聚焦装置的波能聚焦区，防波护坡结构由挡浪构件与生态护坡组成，挡浪构件与生态护坡间隔均匀分布在防波堤临海侧。本实用新型集波能发电与防波护坡功能于一体，不仅可以用来稳定、持续地发电，还可以有效保护海岸，经济与生态效益兼具。
Description
技术领域
本实用新型涉及港口、海岸工程技术领域，特别涉及一种波能发电及防波护坡组合系统。
背景技术
海岸侵蚀会造成岸滩大量流失、海岸建筑物损坏、海滩生态环境恶化等问题，对人们的生产、生活、生命财产安全和生态环境带来了巨大的危害。潜堤是一种常见的保滩促淤的水工建筑物，具有阻断波浪冲击力、改善水域冲淤条件等作用。其次，由于其属于水下建筑物，既不影响船舶通航和水生物通行，又可维护海岸美观，被广泛应用于近岸的消浪促淤。
波浪布拉格共振理论是指当波浪传播通过存在连续周期性起伏地形的海域时，如果起伏地形波长为入射波波长一半的整数倍，波浪则会与地形发生共振，将波浪反射，入射波和反射波叠加将形成大范围的立波，从而使得地形前方波能显著增大。针对该现象，现有技术尝试根据布拉格共振将波浪向海反射的特性，发展系列潜堤达到海岸防护作用。
除此之外，由布拉格共振引起的入反射波叠加本身还起到了波能聚焦的效果，即提升了指定海域的波能密度，有学者曾尝试将地形前方聚焦的能量进行波浪能发电，结果发现相比于平整地形上的振荡浮子式（点吸收）装置波浪能发电功率，布拉格共振能引起发电功率10倍以上的提升，说明基于布拉格共振的波浪能发电可明显提高波浪能发电效率。
综上可知，基于布拉格共振设计的系列潜堤既有明显的防波护岸效应，同时也具有明显的波能聚焦效果。因此，设计一种组合系统，既能将波浪能聚集起来并利用波浪能进行发电，同时又能起到防波护岸效果，将具有广阔的应用前景。
实用新型内容
本实用新型需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种波能发电及防波护坡组合系统。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
一种波能发电及防波护坡组合系统，包括波能发电系统和防波护坡结构，所述波能发电系统设置在迎浪侧，所述防波护坡结构设置在防波堤临海侧；
所述波能发电系统包括波能聚焦装置和发电装置，所述波能聚焦装置包括若干聚焦阵列连续排列而成，所述聚焦阵列由第一波峰柱体单元、第二波峰柱体单元、第三波峰柱体单元组成，第二波峰柱体单元的一端和第三波峰柱体单元的一端分别连接于第一波峰柱体单元的两端，所述第二波峰柱体单元与第一波峰柱体单元之间的夹角以及第三波峰柱体单元与第一波峰柱体单元之间的夹角为90°-180°，第一波峰柱体单元、第二波峰柱体单元、第三波峰柱体单元组成的结构对海浪可形成布拉格共振而反射，所述发电装置位于波能聚焦装置的波能聚焦区；
所述防波护坡结构包括护坡体，护坡体的迎浪面设有若干挡浪构件和若干生态护坡，若干挡浪构件和若干生态护坡横向交错设置，所述挡浪构件朝向海浪的一面为圆弧凸面。
作为更进一步的优选方案，所述波能聚焦装置包括至少四列的聚焦阵列，前排聚焦阵列的第一波峰柱体单元、第二波峰柱体单元、第三波峰柱体单元分别与后排聚焦阵列对应的第一波峰柱体单元、第二波峰柱体单元、第三波峰柱体单元一一平行；前排聚焦阵列和后排聚焦阵列之间的间距与聚焦阵列的宽度相同。
作为更进一步的优选方案，所述第二波峰柱体单元与第一波峰柱体单元之间的夹角以及第三波峰柱体单元与第一波峰柱体单元之间的夹角为163°-173°。
作为更进一步的优选方案，第一波峰柱体单元、第二波峰柱体单元、第三波峰柱体单元的上边缘和下边缘均为半正弦形、半圆形或者抛物线形；所述第二波峰柱体单元的底部呈矩形，所述第二波峰柱体单元、第三波峰柱体单元的底部均为呈平行四边形；所述第一波峰柱体单元的端部宽度分别与第二波峰柱体单元和第三波峰柱体单元的端部宽度相同，且第一波峰柱体单元的端部分别与第二波峰柱体单元和第三波峰柱体单元的端部平行。
作为更进一步的优选方案，所述第一波峰柱体单元、第二波峰柱体单元、第三波峰柱体单元的底部宽度均为入射波浪波长一半的整数倍。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：（1）本实用新型通过将波峰柱体单元按照三边梯形空间布局进行周期性排列，从而引发波浪布拉格共振，使得地形前方出现波能聚焦区，起到能量积聚的效果，从而增大目标海域的波高，并用积聚的能量进行发电，通过提高目标海域波能密度来改善波浪能发电效能；（2）本实用新型的发电装置固定在波能聚焦区中心，使波浪能发电效能最大化；（3）本实用新型的波能聚焦装置使波浪在地形前方被大量反射，透射波能急剧减小，从而起到消浪效果；（4）本实用新型的防波护坡结构对透射波浪二次消浪，减小波浪对海岸的冲刷，从而保护海岸；（5）本实用新型集波能发电与防波护坡功能于一体，不仅可以用来稳定、持续地发电，结构简单成本低，同时可以有效保护海岸，经济与生态效益兼具。
附图说明
图1为本实用新型整体结构示意图；
图2为波能发电系统的结构示意图；
图3为聚焦阵列的结构示意图；
图4为各个波峰柱体单元的对比图；
图5为波峰柱体单元的截面图；
图6为防波护坡结构的结构示意图；
图7分别是本实用新型波能聚焦装置三边梯形夹角为θ=168.69°和θ=164.62°时的波能聚焦点处的波面过程线；
图8分别是本实用新型波能聚焦装置三边梯形夹角为θ=168.69°和θ=164.62°与θ=180°时的波能聚焦点处的波面过程线对比图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的优选技术方案。
如图1所示，一种波能发电及防波护坡组合系统，包括波能发电系统1和防波护坡结构2，波能发电系统1设置在迎浪侧，所述防波护坡结构2设置在防波堤临海侧。
如图2所示，本实用新型所述的波能聚焦装置由四列连续的聚焦阵列3组成，其中第一波峰柱体单元4、第二波峰柱体单元5、第三波峰柱体单元6各有4个，第二波峰柱体单元5的一端和第三波峰柱体单元6的一端分别连接于第一波峰柱体单元4的两端，形成一个聚焦阵列3；前排聚焦阵列3的第一波峰柱体单元4、第二波峰柱体单元5、第三波峰柱体单元6分别与后排聚焦阵列3对应的第一波峰柱体单元4、第二波峰柱体单元5、第三波峰柱体单元6一一平行；前排聚焦阵列3和后排聚焦阵列3之间的间距与聚焦阵列3的宽度相同；布拉格共振条件之一就是当波浪通过系列周期性起伏地形，如果地形为单列或者数量太少的话，效果很弱的，不会引发布拉格共振，本专利至少取四列是为了确保波能聚焦效果。
如图3、图4、图5所示，一个聚焦阵列3由三个波峰柱体单元组成，分别为第一波峰柱体单元4、第二波峰柱体单元5、第三波峰柱体单元6，各个波峰柱体单元为曲面体，如图5依次所示，各个峰柱体单元的上边缘和下边缘可以为半正弦形、半圆形或者抛物线形的曲面体；本实用新型优选的曲面体为截面呈半正弦形的曲面体；第二波峰柱体单元5的底部呈矩形，第一波峰柱体单元4的底部和第三波峰柱体单元6的底部呈平行四边形；第一波峰柱体单元4的端部分别与第二波峰柱体单元5和第三波峰柱体单元6的端部平行，第一波峰柱体单元4的端部宽度分别与第二波峰柱体单元5和第三波峰柱体单元6的端部宽度相同，矩形和平行四边形的宽度为L b，高为l，振幅D。
第二波峰柱体单元5与第一波峰柱体单元4之间的夹角以及第三波峰柱体单元6与第一波峰柱体单元4之间的夹角为90°-180°；本实用新型优选角度为163°-173°；第一波峰柱体单元4、第二波峰柱体单元5、第三波峰柱体单元6组成的形状为等腰梯形结构的上底以及两侧的腰，上底为第一波峰柱体单元4，两个腰为第二波峰柱体单元5和第三波峰柱体单元6，该结构对海浪可形成布拉格共振而反射，所述发电装置7位于波能聚焦装置的波能聚焦区。
第一波峰柱体单元4、第二波峰柱体单元5、第三波峰柱体单元6的长度l根据波浪能发电区域的规模确定，宽度L b为入射波波长L一半的整数倍，相邻聚焦阵列3之间的间距d与波峰柱体单元宽度L b相等，振幅D与水深h比值为不宜过小，以形成明显的布拉格反射现象，使得波浪相对透射率更小，反射率更大，反射频率带宽更宽。
本实用新型所述的发电系统1为振荡浮子式发电装置，选用河海大学设计的可自主调节振荡浮子位置的波能发电装置，保证浮子位于波能聚焦区中心，从而提高波能发电效率，详见专利 CN201920695690.5。
如图6所示，防波护坡结构2包括护坡体8，护坡体8的迎浪面设有若干挡浪构件9和若干生态护坡10，若干挡浪构件9和若干生态护坡10横向交错设置，所述挡浪构件9朝向海浪的一面为圆弧凸面；波浪作用于挡浪构件9时，部分波能向两侧生态护坡10聚集，进一步进行消浪；生态护坡10由一系列临海侧的小孔组成，在孔内种有水生植物，消浪的同时还能净化水体。
实施例一：
下面对本实用新型提供的波能发电系统进行模拟应用，选取数值波浪港池长×宽×水深=32m×32m×0.16m；
根据测定的数值波浪港的入射波波长L，确定波峰柱体单元的宽度L b，具体为波峰柱体单元的宽度L b为入射波长L的一半，波峰柱体单元的宽度L b×振幅D=0.25m×0.1m，整个波能聚焦装置的长度为16m，相邻聚焦阵列3间距为0.25m。
将波峰柱体单元的地形布置成如图2所示的三边梯形，对比分析波能聚焦效果。其中，布局由12块波峰柱体单元组成，其中第一波峰柱体单元4、第二波峰柱体单元5、第三波峰柱体单元6各有4个。三边梯形布局夹角θ分别取θ=168.69°、θ=164.62°和θ=180°。
（1）确定波能聚焦装置3的三边梯形空间布局角度，实施例1的条件下，首先设置三边梯形空间布局夹角θ=168.69°。
（2）取波浪港池水深0.16m，规则入射波波陡kA=0.05，调整入射波的周期，使混凝土波峰柱体单元的宽度恰好为规则入射波波长的一半。在实施例1的条件下入射波的周期选用0.93s，波浪入射方向与地形的对称轴平行。波浪经过波能聚焦装置后，大部分能量将被反射，并在装置迎浪侧产生波能聚焦区，波高逐渐增大。
（3）将波能发电装置7放置在波能聚焦区中，收集到波浪能后转换为机械能发电。
（4）透射波浪经过防波护坡结构2后，起到二次消浪效果，有效保护海岸免受冲刷。
（5）改变三边梯形夹角θ=164.62°和180°，重复上述过程1～4进行试验。
基于实施例1波能聚焦装置的聚波效果已用数值模型展开验证。数值模型为基于高阶谱方法（HOS）建立的考虑地形影响的三维布拉格共振波浪演变模型，该模型已与现有研究成果进行了对比验证，结果吻合较好，模型有较好的可靠性与准确性。
实施例1的结果以三边梯形空间布局的夹角θ=168.69°和θ=164.62°为例进行说明，试验结果如图7和图8所示。图7（a）为θ=168.69°时波能聚焦点处的波面时间序列图，图7（b）为θ=164.62°时波能聚焦点处的波面时间序列图。从图7中可以看出当波浪通过三边梯形布局的地形时，会引发布拉格共振现象，波能聚焦点处波高明显增大。进而将结果与地形为垂直布局（θ=180°）时的结果进行对比，对比结果如图8所示，图8（a）为θ=168.69°与θ=180°的对比，图8（b）为θ=164.62°与θ=180°的对比，从图8（a）、图8（b）中可知，当θ=168.69°时，最大波高增大为初始入射波高的3.21倍，当θ=164.62°时，最大波高增大为初始入射波高的3.18倍，θ=180°时，最大波高增大仅为初始入射波高的1.81倍。说明当θ=168.69°和θ=180°时，三边梯形布局比垂直布局（θ=180°）下的波高更大，有更好的聚波效果。同时，根据能量守恒原理，由于大量波能在地形前方被反射，则地形后方波能大量减弱。因此，本实用新型既可以提高目标海域的波能密度，提高波浪能发电效能，又可以有效削弱来波能量，进而保护海岸。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种波能发电及防波护坡组合系统，其特征在于：包括波能发电系统（1）和防波护坡结构（2），所述波能发电系统（1）设置在迎浪侧，所述防波护坡结构（2）设置在防波堤临海侧；
所述波能发电系统（1）包括波能聚焦装置和发电装置（7），所述波能聚焦装置包括若干聚焦阵列（3）连续排列而成，所述聚焦阵列（3）由第一波峰柱体单元（4）、第二波峰柱体单元（5）、第三波峰柱体单元（6）组成，第二波峰柱体单元（5）的一端和第三波峰柱体单元（6）的一端分别连接于第一波峰柱体单元（4）的两端，所述第二波峰柱体单元（5）与第一波峰柱体单元（4）之间的夹角以及第三波峰柱体单元（6）与第一波峰柱体单元（4）之间的夹角为90°-180°，第一波峰柱体单元（4）、第二波峰柱体单元（5）、第三波峰柱体单元（6）组成的结构对海浪可形成布拉格共振而反射，所述发电装置（7）位于波能聚焦装置的波能聚焦区；
所述防波护坡结构（2）包括护坡体（8），护坡体（8）的迎浪面设有若干挡浪构件（9）和若干生态护坡（10），若干挡浪构件（9）和若干生态护坡（10）横向交错设置，所述挡浪构件（9）朝向海浪的一面为圆弧凸面。
2.根据权利要求1所述的一种波能发电及防波护坡组合系统，其特征在于：所述波能聚焦装置包括至少四列的聚焦阵列（3），前排聚焦阵列（3）的第一波峰柱体单元（4）、第二波峰柱体单元（5）、第三波峰柱体单元（6）分别与后排聚焦阵列（3）对应的第一波峰柱体单元（4）、第二波峰柱体单元（5）、第三波峰柱体单元（6）一一平行；前排聚焦阵列（3）和后排聚焦阵列（3）之间的间距与聚焦阵列（3）的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的一种波能发电及防波护坡组合系统，其特征在于：所述第二波峰柱体单元（5）与第一波峰柱体单元（4）之间的夹角以及第三波峰柱体单元（6）与第一波峰柱体单元（4）之间的夹角为163°-173°。
4.根据权利要求1所述的一种波能发电及防波护坡组合系统，其特征在于：所述第一波峰柱体单元（4）、第二波峰柱体单元（5）、第三波峰柱体单元（6）的上边缘和下边缘均为半正弦形、半圆形或者抛物线形；所述第二波峰柱体单元（5）的底部呈矩形，所述第二波峰柱体单元（5）、第三波峰柱体单元（6）的底部均为呈平行四边形；所述第一波峰柱体单元（4）的端部宽度分别与第二波峰柱体单元（5）和第三波峰柱体单元（6）的端部宽度相同，且第一波峰柱体单元（4）的端部分别与第二波峰柱体单元（5）和第三波峰柱体单元（6）的端部平行。
5.根据权利要求4所述的一种波能发电及防波护坡组合系统，其特征在于：所述第一波峰柱体单元（4）、第二波峰柱体单元（5）、第三波峰柱体单元（6）的底部宽度均为入射波浪波长一半的整数倍。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111441316A (zh) * | 2020-04-17 | 2020-07-24 | 河海大学 | 一种波能发电及防波护坡组合系统及工作方法 |
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2020
- 2020-04-17 CN CN202020584830.4U patent/CN212641392U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111441316A (zh) * | 2020-04-17 | 2020-07-24 | 河海大学 | 一种波能发电及防波护坡组合系统及工作方法 |
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