一种兼作波浪能发电装置的浮式防波堤.pdf

本发明涉及防波堤工程和波浪发电技术领域，尤其是涉及一种布置于远海的浮式防波堤发电装置。它包括浮式构件、空气透平发电机组、气室、气流通道、锚泊系统和信号传输装置。其特征是：浮式构件通过锚链与海底的混凝土锚块相连，在浮式构件的迎浪面上设置多个贯穿于浮体的消浪孔，空气透平发电机安装在气流通道内，波浪带动浮体上下运动，使气室内的水体产生振荡并推动气室内空气运动，进而推动空气透平发电机组发电。本发明具有结构稳定、建造成本低、发电转化效率高、维护便利等特点，可应用在水深浪大、地形复杂的海域，在削减波浪影响、为周围海域提供平稳水域环境的同时，能够将波浪能转化为电能，有效解决港区或海岛居民的电力供应问题。

1.  一种兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，包括浮式构件、空气透平发电机组、气室、气流通道、锚泊系统和信号传输装置，其特征在于：浮式构件通过锚链与海底的混凝土锚块相连，在浮式构件的迎浪面上设置多个贯穿于浮体的消浪孔，空气透平发电机安装在气流通道内，波浪带动浮体上下运动，使气室内的水体产生振荡并推动气室内空气运动，进而推动空气透平发电机组发电。

2.  根据权利1要求所述的兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，其特征在于：浮式构件为预制成型的薄壁钢筋混凝土浮体，浮体空腔内填充聚乙烯泡沫，浮式构件迎浪面至背浪面设置多个贯穿于浮体的消浪孔。

3.  根据权利1要求所述的兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，其特征在于：将气室上方的气流通道入口处，设计成聚流罩的形状。

4.  根据权利1要求所述的兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，其特征在于：锚泊系统由锚杆、第一锚链和安全锚链组成，在浮式构件四个角均设置了用于构件串接的中心孔，锚杆通过中心孔固定在浮式构件上，通过锚链与海底混凝土锚块相连。

5.  根据权利1要求所述的兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，其特征在于：与第一锚链相连的锚杆上安装有信号传输装置，当遇到较大破坏性的风浪致使第一锚链断开时，安全锚链发挥锚系作用，同时传输信号中断，以此通知管理人员及时对装置进行维护。

一种兼作波浪能发电装置的浮式防波堤
技术领域
本发明涉及防波堤工程和波浪发电技术领域，尤其是涉及一种布置于远海的浮式防波 堤发电装置。
背景技术
近三十年来，随着深水靠泊和深水采油采矿作业快速发展以及海上养殖场大规模兴 建，对防浪结构的要求越来越高。浮式防波堤是一种对港口内部设施或海岸起保护作用的防 浪构筑物，主要为了保证港口和近海岸水域的平稳，防止波浪对港口设施的破坏和近海岸的 侵蚀，同时还具有防沙、防流、防冰、导流以及内侧兼做码头的功能。与传统的固定式防波 堤相比，浮式防波堤具有较好的经济性和轻便性；安装维护便利且适应于软土海床；由于堤 下透空，其也更有利于改善堤身周围的水质，因而浮式防波堤的应用日益受到设计人员的重 视。
根据波浪观测的资料统计计算，我国海岸线的波浪能资源理论平均功率达到一千二百 多万千瓦。根据我国的现有国民经济增长水平，国内对能源的消耗量逐年递增，当前我国在 努力使用开发石油等化石能源的同时，积极需求可替代的新能源。波浪能以其清洁可再生的 特点，可成为缓解全球能源问题的一种潜在途径。在西班牙、丹麦、挪威、英国等欧洲发达 国家，对波浪能的开发已经有了几十年的理论和实践经验，一些波能发电设施已经开始投入 了一定规模实际运用。我国作为海洋资源大国，拥有着漫长的海岸线，在开发波浪能方面具 有先天的优势，所以加快对波浪能利用的研究，对于缩小与发达国家的差距、改善我国的能 源结构和实现经济与环境的可持续发展都具有重要意义。
随着全球经济的发展与国际贸易的增长，远洋运输船舶日益大型化，优良港湾几乎被 开发殆尽，新建港口不得不向水深浪大、地质复杂等环境恶劣的海域发展。传统的斜坡或直 立式防波堤应用于此类海域存在成本较高、投资较大和软地基海域建造困难等问题，难以适 应深水海港建设的需要，浮式防波堤由于克服了上述缺点更适于远海的情况。远海地区通常 海况恶劣，风浪较大，这恰恰为波浪发电提供了的良好条件。
中国专利授权公开号：CN104153936A于2014年11月19日公开了一种防波堤和设于 防波堤上的波浪发电装置，以及中国专利授权公开号：CN202347495U于2012年7月25日公 开了一种具有发电功能的防波堤，这两种防波堤为直立堤或斜坡堤，设置于近海，均采用浮 子发电原理。以上两种专利提及的发电防波堤装置不足之处是，防波堤不适用于较大水深的 海域，对地基有较大的依懒性，造价高、施工期长，发电装置需要与海水直接接触，对防腐、 密封性能等要求较高。本发明采用振荡水柱式发电装置，主要优点是：(1)装置的波能转换 率较高，对地形的依赖性较小；(2)波能通过气室内的压缩空气传递，使得发电机组不和海 水直接接触，这样可以减少波浪对其结构的破坏，也可避免海水的腐蚀，提高了其在海洋环 境中的适应能力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种多孔浮式防波堤发电装置，具有消波效果好、结构简单、 建造成本低、稳定性好、维护便利等特点，能够将波浪能转化成电能的装置。
为了实现上述目标，采取如下的技术解决方案：
一种兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，包括浮式构件、空气透平发电机组、气室、 气流通道、锚泊系统和信号传输装置，其特征在于：浮式构件通过锚链与海底的混凝土锚块 相连，在浮式构件的迎浪面上设置多个贯穿于浮体的消浪孔，空气透平发电机安装在气流通 道内，波浪带动浮体上下运动，使气室内的水体产生振荡并推动气室内空气运动，进而推动 空气透平发电机组发电。
所述的兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，其特征在于：浮式构件为预制成型的薄壁 钢筋混凝土浮体，浮体空腔内填充聚乙烯泡沫，浮式构件迎浪面至背浪面设置多个贯穿于浮 体的消浪孔。
所述的兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，其特征在于：将气室上方的气流通道入口 处，设计成聚流罩的形状。不仅可以增大驱动透平发电机的气流流速，而且提高了气室内空 气动能的利用率。
所述的兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，其特征在于：锚泊系统由锚杆、第一锚链 和安全锚链组成，在浮式构件四个角均设置了用于构件串接的中心孔，锚杆通过中心孔固定 在浮式构件上，通过锚链与海底混凝土锚块相连。
所述的兼作波浪能发电装置的浮式防波堤，其特征在于：与第一锚链相连的锚杆上安 装有信号传输装置，当遇到较大破坏性的风浪致使第一锚链断开时，安全锚链发挥锚系作用， 同时传输信号中断，以此通知管理人员及时对装置进行维护，起到对结构物破坏进行预警的 作用。
本发明的有益效果是：(1)本发明所采用的浮式防波堤发电装置，既削减了波浪的影 响，为周围海域提供了平稳的水域环境，同时将部分波浪能转化成电能，为远海供电提供一 种清洁和便利的方式。(2)将该种装置运用于深水海港或者海岛周围海域，可有效解决港区 或海岛居民的电力供应问题。(3)在浮式防波堤迎浪面至背浪面的水下部分设置几排贯穿浮 体的消波孔，对于入射波进行部分削减，既一定程度上提高消浪效率又可以减少波浪力对结 构的冲击，有利于保护结构的稳定性，消波孔的排列和数量通过平衡工作海域的消浪与发电 要求而定。(4)空气透平式发电机组置于输气管道内，该装置的波能转换率较高，对地形的 依赖性小，将气室上方的气流通道入口处，设计成聚流罩的形状，不仅可以增大驱动透平发 电机的气流流速，而且提高了气室内空气动能的利用率；同时，波能通过气室内的压缩空气 传递，使得发电机组不和海水直接接触，这样可以减少波浪对其结构的破坏，也可避免海水 的腐蚀，提高了其在海洋环境中的适应能力。(5)该防波堤可根据实际海况条件和用电需求， 在垂直于波谱中主频波波向线的方向平行布置多个结构单元，从而增加利用波能的水域范围 和提高发电装置对于波谱的适应范围；由于部分入射波能转化为了电能，该装置也提高了浮 式防波堤的消浪效率。(6)经过对该种浮式防波堤发电装置的组成结构及布置方式的综合考 量，波浪与该装置相互作用的过程综合了波浪反射、湍动耗散、多孔渗流耗散，波浪能、空 气动能和电能三者之间的多重转化等多种消能机理。其具有结构稳定、消能效果好、发电转 化效率高、安装便捷、易于维护，建设工期短等特点。
附图说明
图1是本发明整体结构的俯视图。
图2为浮体迎浪面的正视图。
图3是图1的剖视图。
图4是气室内处于波峰作用时的侧面剖视图。
图5是气室内处于波谷作用时的侧面剖视图。
图6是本发明整体结构剖视图。
图中，1-空气透平发电机组，2-气流通道，3-气室，4-第一锚链，5-安全锚链，6- 消浪孔，7-混凝土锚块。
具体实施方式
如图4所示，浮式防波堤锚固于海洋表面，整体结构部分淹没以保证气室的底部始终 位于海平面以下，气室内液面以上即为气室。气室的下部入口将气室底部水体与海水相连， 气室上部为空气。
当波浪的波峰作用于气室时，气室内的液面上升，气室内的容积变小，气压增大。当 气室内的气压大于外界大气压时，空气受到压缩会通过气室上方的气流通道排出气室，此时 波浪能转换为空气动能；压缩空气在通过气室上方聚流罩时，气流的流速增加，驱动安装在 通道内的透平机组转动产生电能。与此相反，如图5所示，当波谷作用于气室时，气室内的 液面下降，气室内的气压降低；当气室内的气压小于外界的大气压时，空气便通过气室上方 的气流通道流入到气室内，在通过气流通道时，空气驱动通道内的涡轮机组转动发电。因此， 波能到电能的转换即通过波峰与波谷的交替转换为气室内液面的上下振荡，从而带动气流通 道内空气的往复流动，继而驱动通道内的透平机组转动发电。
该种浮式防波堤发电装置的组成结构及布置方式的综合考量，波浪与该装置相互作用 的过程综合了波浪反射、湍动耗散、多孔渗流耗散，波浪能、空气动能和电能三者之间的多 重转化等多种消能机理。为了防止极端海况下，波浪过大对浮式构件造成损害，在迎浪面至 背浪面设置多个贯穿于浮体的消浪孔，如图2所示。波浪撞击迎浪面，在消浪孔的作用下， 波浪产生紊动消能，同时减小了对浮式防波堤的冲击力，有利于维护防波堤的稳定。
经过消浪孔的对波浪的紊动消能和气室对波浪能的利用，有效的降低了堤后波高，为 周围海域提供了较为平稳的水域环境。
为了提高本发明在工作中的安全性，浮式构件与海底混凝土锚块间分别用第一锚链和 安全锚链连接，安全锚链长度略长于第一锚链。在第一锚链与锚杆的连接处安装有信号传输 装置。当遇到较大的破坏性的海浪使第一锚链断开后，安全锚链发挥锚系作用，同时传输信 号中断，以此通知管理人员及时对装置进行维护，起到对结构物的破坏进行预警的作用。
该防波堤可根据实际海况条件和用电需求，在沿波浪方向和垂直波浪的方向增加该浮 式构件的数量在垂直于波谱中主频波波向线的方向平行布置多个结构单元，从而增加波能利 用波能的水域范围和提高发电装置对于入射波谱的适应范围。由于部分入射波能转化为了电 能，该装置也提高了现有浮式防波堤的消浪效率。
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。