本发明涉及一种防波堤兼发电装置，具体涉及一种可以防浪消浪的防波堤兼双气室振荡水柱发电装置。
背景技术：
20世纪70年代的石油危机开启可再生能源研究的新时代，最受关注的领域包括太阳能、风能及海洋能，其中海洋能被认为是最安全、清洁和稳定的能源供给。太阳能及陆上风能发电已逐步实现产业化，但受地域影响显著；核能发电效率很高，一旦泄漏则会产生严重的环境问题。海洋能中包含离岸风，相对于陆地风资源具有风力强、风向稳定及受周边环境影响小等优势。同时，海洋中的波浪能较易预测且提取方法很多，被认为是一种极具潜力的能源储备。全球波浪能总量约为2.11tw，相较于传统火力发电，波浪能发电的成本依然很高，还处于产业初端的研发设计阶段。在众多波浪能转换技术中，owc装置的主要部件不与海水接触，具有使用寿命长且便于维修等优势，是目前被广泛认可的波能转换技术之一。
推动海洋能开采工作的关键在于提高经济性，保证效益产出大于投入成本。为早日实现波能转换装置的应用和推广，一条思路是提高装置的波能转换效率，另一条则是将波能转换装置与其他海工结构相结合，如防波堤等。因此，探究防波堤的多种使用形式，不论作为海上风力发电机等装置的安装基础，还是与owc式波能转换装置相结合，都具有重要的实践意义和发展前景。依托防波堤建造波能转换装置有以下优点：
(1)有效分摊装置的建造、安装和维护成本；
(2)功能多样化，在提取波浪能的同时保护堤后的靠岸或离岸设施；
(3)以原有防波堤作为平台搭建海洋能开采装置，可有效减少对环境的额外影响；
(4)相对于单独安装在海浪中的波能转换装置，以防波堤为安装基础时，可将易受损的部件安置在远离海浪冲击的位置，从而大大提升装置的稳定性及使用寿命；
(5)提升波能转换装置在极端海浪下的生存能力。
传统单气室透空式owc装置的最大波能转换效率仅为0.5，虽然在结构形式上进行优化也可以使得单气室的owc装置兼具防波堤所具有的防浪消浪的功能，但是如何最大程度地提高波浪能转换效率同时保证装置能够充分发挥防波堤所具有的功能，一直是研究的热点与难点。
技术实现要素：
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种相比较单气室振荡水柱式装置而言具有较高的波浪能转换效率的双气室振荡水柱式发电装置，且该装置兼具防波堤的防波消浪的功效，其主要目的在于提供一种能够将海洋中所蕴含的波浪能量转化为可储存的电能方便人类使用，同时可以避免极端波浪条件下复杂海况对港池的干扰与影响，即在波浪条件下，设计出了一种能够在保证波浪能被提取转化为电能储存起来的基础之上，追求“更高的波能提取效率”的发电装置，除此以外能够将装置所具有防波堤的阻断波浪的冲击力、围护港池、维持水面平稳的功效发挥到极致。为了防止因为振荡水柱装置的加入使得防波堤结构的整体稳定性受到严重影响的问题，对该装置从结构形式的设计、工作运行过程、电能的储存形式等多个方面进行优化，既保证了波浪能发电效率也提高了装置的综合效益。
本发明由多个发电装置单元组成，每个发电装置单元由前垂向直板、前气室、前弹簧、前气流通道、前空气透平、后垂向薄板、后气室、后弹簧、后气流通道、后空气透平、前发电机组、中发电机组、后发电机组、可自动调节导杆、纵荡中垂板、锚链、锚链固定桩等组成。
所述前垂向直板位于整个发电装置的最前端，位于迎浪侧方向，考虑到装置兼具防波堤防浪消浪的功效，前垂向直板的厚度设计满足《海港水文设计规范》在波浪力的作用下仍具有一定的使用年限；所述前气室由前垂向直板和纵荡中垂板与上方预留的前空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，随着气室内水体的纵向振荡，使得气室内的气体循环被挤进与排出，导致空气被压缩做功；所述前弹簧位于前气室内，用来连接前垂向直板和纵荡中垂板，其主要功能是使得纵荡中垂板能够进行前后运动，横向压缩空气做功；所述前气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于前气室的上部中央，其主要作用就是作为前气室内与前气室外气体交换的唯一通道；所述前空气透平位于前空气通道内，其主要作用就是将波浪水质点中蕴有的能量转换成机械功。
所述后垂向薄板位于整个装置的最后端，由于受到波浪力作用较小，厚度相对于前垂向直板较小；所述后气室由后垂向薄板和纵荡中垂板与上方预留的后空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，工作效用与前气室同；所述后弹簧位于后气室内，用来连接后垂向薄板和纵荡中垂板，其主要功能与前弹簧同；所述后气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于后气室的上部中央，其主要作用与前气流通道同；所述后空气透平位于后空气通道内。
所述前波浪发电机组位于前空气透平的前方，其主要作用是将透平所转换的波浪能以电能的形式储存起来，方便利用，与前空气透平在某种情况下可以通过可自动调节导杆连接；所述后波浪发电机组位于后空气透平的后方，其主要作用是将透平所转换的波浪能以电能的形式储存起来，以便于后期的利用，与后空气透平在某种情况下可以通过可自动调节导杆连接；所述中发电机组位于前空气透平与后空气透平中间，处于平衡位置时的纵荡中垂板的上方，该发电机组始终通过可自动调节导杆与前空气透平和后空气透平相连。
所述可自动调节导杆在平面上呈现两个倒m形，可在平面内实现左右定轴转动，并将前空气透平与前发电机组或后空气透平与后发电机组和中发电机组连接在一起，实现电能的存储。所述纵荡中垂板通过前弹簧和后弹簧分别于前垂向直板和后垂向薄板相连，将整个装置的内部空间隔断成前气室和后气室两个部分；所述锚链用来实现波浪能转换装置与海底的连接，防止在强波情况下装置被冲走，同时可以实现波浪能转化装置的上下浮动；所述锚链固定桩主要作用是用来拴系锚链，为保证稳定需打入海底泥面以下一定深度。
作为优选，所述前垂向直板和后垂向薄板分别在作为整个发电装置的前墙和后墙在功效上有所区别，前垂向直板在保证装置的气密性的条件下，同时兼作防波堤迎浪侧的直墙使用。为了保证直墙在来浪条件下具有一定的使用期限，前垂向直板的厚度相比于后垂向薄板要大。
作为优选，所述的前发电机组和后发电机组始终固定在振荡水柱发电装置上，通过可自动调节导杆与前空气透平和后空气透平相连，且使得这两个发电机组始终处于“一个供电，一个蓄电”的工作状态，发电机组的此种工作形式可以避免同时供电和蓄电情况的出现，影响发电机组的使用寿命。
作为优选，所述的中发电机组在整个发电装置工作期间始终通过可自动调节导杆与前后空气透平连接，其作用是在前发电机组和后发电机组充电完成的状况下储存多余的电能，与前发电机组和后发电机组相区别的是该发电机组可以自由的实现装卸，充电完成后的中发电机组所储存的电能可以“并网”使用，方便千家万户；
作为优选，所述纵荡中垂板由于左右同时与前弹簧和后弹簧相连，在波浪作用下可以实现纵荡运动；装有纵荡隔板的双气室透空式结构，通过对该结构形式下的振荡水柱发电装置的消波性能和波浪能转换效率进行理论分析，该双气室结构不仅拥有一定的消波性能，且在增大波能转换效率峰值的同时，能有效拓宽高效频率带。
本发明的有益效果：
1、一种防波堤兼双气室振荡水柱发电装置，不仅具有将海洋中所蕴藏的波浪能转化为电能储存起来的功能，而且兼作防波堤使用，发挥防波堤所具有的防浪消浪的功效。除了位于整个装置的最前端的前垂向直板作为迎浪来波的最主要受力构件，波浪经过透射、衍射、绕射等作用传递到装置的内部，促使纵荡中垂板在发生运动的同时，能够具有一定的阻断波浪传播的功能，此过程可以定义为“二次防波”。经过上述前垂向直板和纵荡中垂板的防波作用，可以使得振荡水柱发电装置的消波效果发挥到最大。
2、一种防波堤兼双气室振荡水柱发电装置，振荡水柱发电装置的结构简单，制作方便，双气室透空式振荡水柱发电装置的制作过程可以看做在t型结构两端分别安装前垂向直板和后垂向薄板，并在顶部的水平板上开通两个小孔，形成两个相邻的气室空间，并在顶部小孔中分别独立安装空气透平，中间的纵荡垂向直板通过两根具有一定弹性系数的弹簧与装置的前墙和后墙分别相连，从而允许中间垂向隔板在波浪运动下发生纵荡运动，从而将两个相邻气室的体积变化过程联系在一起。经过理论分析，此种具有纵荡隔板的双气室透空式结构，不仅能够提高装置的消波性能，且在增大波能转换效率峰值的同时，能够有效拓宽高效频率带。
3、一种防波堤兼双气室振荡水柱发电装置，在装备有通过可自动调节导杆与空气透平相连的可交替使用的前发电机组和后发电机组的基础上，为了缓解以上两个固定式发电机组的使用压力，储存超过前发电机组或后发电机组蓄能限度的过剩的能量，在发电装置的上方配备有可卸载并网使用的中发电机组，中发电机组在振荡水柱发电装置使用期间，通过可调节导杆始终与空气透平相连，发挥将波浪能转化为电能储存起来的效用。
4、本发明实现波浪能转化为电能的过程基于振荡水柱发电装置波能转化原理，工程可靠性强，实用价值高。
综上所述，本发明力求实现对海洋上能源的高效提取与利用，在保证具有较高的能量转化效率的前提下，兼顾使得装置具有防波消浪的功能，具有较高的价值。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
1、前垂向直板，2、前气室，3、弹簧a，4、前气流通道，5、前空气透平，6、后垂向薄板，7、后气室，8、弹簧b，9、后气流通道，10、后空气透平，11、发电机组a，12、发电机组b，13、发电机组c，14、可自动调节导杆，15、纵荡中垂板，16、锚链，17、锚链固定桩。
具体实施方式
如图1所示，一种防波堤兼双气室振荡水柱发电装置，整个装置由多个发电装置单元组成，每个发电装置单元由前垂向直板1、前气室2、弹簧a3、前气流通道4、前空气透平5、后垂向薄板6、后气室7、弹簧b8、后气流通道9、后空气透平10、发电机组a11、发电机组b12、发电机组c13、可自动调节导杆14、纵荡中垂板15、锚链16、锚链固定桩17等组成。所述前垂向直板位于整个发电装置的最前端，位于迎浪侧方向，考虑到装置兼具防波堤防浪消浪的功效，前垂向直板的厚度设计满足《海港水文设计规范》在波浪力的作用下仍具有一定的使用年限；所述前气室由前垂向直板、纵荡中垂板与上方预留的4前空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，随着气室内水体的纵向振荡，使得气室内的气体循环被挤进与排出，导致空气被压缩做功；所述弹簧a位于前气室内，用来连接前垂向直板和纵荡中垂板，其主要功能是使得纵荡中垂板能够进行前后运动，横向压缩空气做功；所述前气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于前气室的上部中央，其主要作用就是作为前气室内与前气室外气体交换的唯一通道；所述前空气透平位于前空气通道内，其主要作用就是将波浪水质点中蕴有的能量转换成机械功；所述后垂向薄板位于整个装置的最后端，由于受到波浪力作用较小，厚度相对于前垂向直板较小；所述后气室由后垂向薄板、纵荡中垂板与上方预留的后空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，工作效用与前气室同；所述弹簧b位于后气室内，用来连接后垂向薄板和纵荡中垂板，其主要功能与弹簧a同；所述后气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于后气室的上部中央，其主要作用与前气流通道同；所述后空气透平位于后空气通道内；所述波浪发电机组a位于前空气透平的前方，其主要作用是将透平所转换的波浪能以电能的形式储存起来，方便利用，与前空气透平在某种情况下可以通过可自动调节导杆连接；所述波浪发电机组b位于后空气透平的后方，其主要作用是将透平所转换的波浪能以电能的形式储存起来，以便于后期的利用，与后空气透平在某种情况下可以通过可自动调节导杆连接；所述发电机组c位于前空气透平与后空气透平中间，处于平衡位置时的纵荡中垂板的上方，该发电机组始终通过可自动调节导杆与前空气透平和后空气透平相连；所述可自动调节导杆在平面上呈现两个倒m形，可在平面内实现左右定轴转动，并将前空气透平与发电机组a或后空气透平与发电机组b和发电机组c连接在一起，实现电能的存储；所述纵荡中垂板通过弹簧a和弹簧b分别于前垂向直板和后垂向薄板相连，将整个装置的内部空间隔断成前气室和后气室两个部分；所述锚链用来实现波浪能转换装置与海底的连接，防止在强波情况下装置被冲走，同时可以实现波浪能转化装置的上下浮动；所述锚链固定桩主要作用是用来拴系锚链，为保证稳定需打入海底泥面以下一定深度。
一种防波堤兼双气室振荡水柱发电装置的实现过程如下：
①气室振荡水柱发电装置结构设计：
这里主要从振荡水柱装置的吃水深度这个角度对整个装置进行研究和优化设计。一般而言，透空式防波堤的吃水深度越大，消波性能越好，在双气室振荡水柱发电装置中，吃水深度的增加不仅会增大前后墙间振荡水柱的长度，也会增大中垂板的水平向受力面积。在对相对吃水深度d/h=0.1,0.25,0.4和0.55（d为吃水深度，h为水深）的理论研究过程中，由于前后气室位置的差异，更多的波能进入到前气室，前气室内平均液面振幅明显高于后气室。在对波能转换效率曲线进行研究的过程中发现，该曲线的峰值随结构物的吃水深度的增加而逐步下降，高效频率带也逐渐变窄。在频率带1<w2h/g<3.5上（w为入射波频率，g为重力加速度），双气室振荡水柱装置吃水深度为d/h=0.25时，波能转换效率基本维持在0.4以上，具有很高的工程实践价值。
②波浪入射，波峰波谷交替，前后气室内波浪能做功
当入射波作用到振荡水柱发电装置时，引起装置内前气室和后气室内的液面发生波动，在波浪力以及弹性力的作用下，纵荡中垂板也随着液面波动发生具有一定周期性的往复运动，在这一过程中，前后两个气室内的气体运动均受到来自液面和纵荡中垂板的共同作用。装置内的气体受到垂向压缩和纵向压缩两部分的压缩作用，流进流出的气体推动前后气室所连接的空气透平旋转，进而通过透平所连接的发电机组将波浪能转化为电能储存起来。由于在波浪传播过程中，水分子动能主要分布于自由表面附近，增大中垂板的垂向长度就会使得其受到的平均压强减小。当中垂板长度为d1/h=0.1（d1为纵荡中垂板的长度）时，整个结构物在2<w2h/g<6的较宽频率带上保持良好的消波性能，纵荡中垂板的垂向延伸能够显著提升结构物对长波的反射和吸收能力
③发电机组协同工作，蓄电供电交替进行
实际上，在整个装置使用期间，发电机组a和发电机组b存在着两种工作情况：i.发电机组a充电，发电机组b蓄电；ii.发电机组a蓄电，发电机组b充电。这里以情况i为例对过程③进行说明：随着气室内水体不断压缩空气做功，波浪能逐渐被位于气流通道上方的空气透平转化为机械能。可自动调节导杆，此时处于与发电机组a相连的状态，而与发电机组b断开连接。空气透平转化的机械能通过可自动调节的导杆，进一步的被转化成电能存储在发电机组a内，随着气室内气体的不断做功，越来越多的电能被存储到发电机组a内，此时的发电机组b一直处于通过导线向岛屿上居民供电的状态。随着发电机组a的蓄电量达到饱和，可自动调节导杆与发电机组a断开连接，而与发电机组b相连，此时发电机组a继续承担向通过导线向岛屿上的居民供电的任务，而发电机组b则开始进行将波浪能转为电能储存起来的过程。当发电机组b蓄电达到饱和时，发电机组a和发电机组b又开始重复进行上一阶段的蓄电和供电的过程。而对于发电机组c具有可装卸功能，在振荡水柱发电装置的工作期间，它始终通过可自动调节导杆与前后空气透平相连，将因达到发电机组a或发电机组b的蓄电能量而过剩的电能储存起来，分担发电机组a和发电机组b的蓄电压力。当发电机组c的蓄电能力饱和时，可将该发电机组卸载下来，将所储存的电能并网使用，方便千家万户使用，并更换新的发电机组c。
以上内容仅为本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。