一种自发电式的防波堤装置及其发电方法与流程

本发明属于港口水工建筑物综合利用领域，特别涉及了一种防波堤装置。

背景技术：

随着世界经济的快速发展，能源需求不断增加，石油、煤炭等不可再生资源加速减少。根据美国能源信息署2010年的报告：世界能源需求量年均增长1.4％，到2030年的能源需求预计是1990年的两倍。大量消耗的传统资源导致了严重的环境问题。数据显示，源自化石燃料的排放占全球温室气体排放量的三分之二，是迄今为止对气候变化影响最大的因素。因此，人们迫切需要找到新的清洁能源。面对能源危机，人们把目光放向了海洋。海洋面积占地球总面积的71% ，蕴含着巨大的能量，包括潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等，其中海洋波浪能储量巨大，全球可开发的波浪能年储量可达 2 TW。和其他海洋能资源相比，波浪能具有着以下优点：以机械能形式出现，是海洋能中品质较好的能量；能流密度最大；可以通过较小的装置实现其利用；波浪能装置可在已有设施及工程的基础上进行建设安装，能够降低建设成本，实现功能的多元化。

防波堤作为港口工程中重要的水工建筑物，其主要作用是为港区提供良好的泊稳条件，利于船舶装卸作业。随着港口工程技术发展，防波堤结构形式日趋成熟；然而，目前在海洋波浪能开发领域里，与海岸工程相结合方面的波浪能发电技术应用比较缺乏，大多是单一的波浪能发电装置，存在利用途径单一且利用率低的不足。而目前国内外水工建筑物发展的动向，具有从单一功能到综合利用的趋势。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种自发电式的防波堤装置及其发电方法，弥补传统水工建筑物用途单一的不足，将发电装置与防波堤相结合，使其具有阻浪、发电的功能。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种自发电式的防波堤装置，包括桩基式半圆形防波堤，该桩基式半圆形防波堤包括半圆形拱圈和隔板，所述半圆形拱圈的开口朝下，隔板竖直设置在半圆形拱圈的中间，隔板的上端与半圆形拱圈的顶点连接，隔板的下端与半圆形拱圈开口的两端齐平，从而将半圆形拱圈的内部空间平均分隔成两个内腔；其中一个内腔位于防波提的陆域侧，在该内腔的开口处设置底板，则半圆形拱圈、隔板和底板围合成密闭的发电装置室；另一个内腔位于防波堤的迎浪侧，在该内腔中，海面始终不能低于半圆形拱圈的开口端，从而保证半圆形拱圈、隔板和海面始终围合成密闭的捕能气室；隔板的上端开有气流通道，在气流通道内垂直于气流方向设置双向的空气透平，在发电装置室内设置发电机组，该发电机组通过联轴器与空气透平连接。

基于上述技术方案的优选方案，发电装置室下方的底板的一端与隔板下端连接，底板的另一端与半圆形拱圈开口陆域侧的一端连接，底板与隔板连接处安设直桩，底板与半圆形拱圈开口陆域侧的一端连接处安设叉桩，半圆形拱圈开口迎浪侧的一端安设直桩，通过直桩、叉桩来支撑半圆形防波堤。

基于上述技术方案的优选方案，在发电装置室上方的半圆形拱圈上设置若干气流交换口。

基于上述技术方案的优选方案，当海面处于波峰时，海面高度低于隔板上端气流通道的高度。

基于上述技术方案的优选方案，所述空气透平的类型为萨窝纽斯式透平、威尔斯式透平或冲击式透平。

基于上述防波堤装置的发电方法，包括以下步骤：

（1）起伏的波浪在防波堤迎浪侧的内腔中形成振荡水柱，振荡水柱引起捕能气室内的压强发生变化，在隔板两侧变化压强差的作用下，隔板上部的气流通道中形成一维方向的流动气流，波浪能成功捕获并转化为空气动能；

（2）海面处于波峰状态时，迎浪侧内腔中水柱上升，捕能气室压强增大，隔板迎浪侧气压高于陆域侧气压，形成正向流动的气流驱动空气透平运转；海面处于波谷状态时，迎浪侧内腔中水柱下降，捕能气室压强减小，隔板迎浪侧气压低于陆域侧气压，形成负向流动气流驱动空气透平运转；

（3）运转的空气透平通过联轴器驱动发电机组工作，从而将空气透平的动能通过发电机组转化为电能。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明将振荡水柱式发电装置与桩基式半圆型防波堤相结合，实现了水工建筑物的综合利用，方法简单易行、维护成本较低，具有优异的耐久性和稳定性。

本发明将振荡水柱式波浪能发电装置设置在防波堤上，其发电机组部分设置在陆域侧的发电装置室中，空气透平设置在隔板上部，避免了核心装置与海水的直接接触，可解决现有技术中波浪能利用装置广泛存在的海水腐蚀问题，提高装置核心部件的安全性。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明中空气透平的结构示意图。

图3是本发明在波峰状态下捕获波浪能的示意图。

图4是本发明在波谷状态下捕获波浪能的示意图。

标号说明：1、桩基式半圆型防波堤；2、捕能气室；3、空气透平；4、发电装置室；5、海面；11、半圆形拱圈；12、隔板；13、底板；14、叉桩；15、直桩；16、气流交换口；31、气流通道。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种自发电式的防波堤装置，包括桩基式半圆形防波堤1，该桩基式半圆形防波堤1包括半圆形拱圈11和隔板12，所述半圆形拱圈11的开口朝下，隔板12竖直设置在半圆形拱圈11的中间，隔板12的上端与半圆形拱圈11的顶点连接，隔板12的下端与半圆形拱圈11开口的两端齐平，从而将半圆形拱圈11的内部空间平均分隔成两个内腔。其中一个内腔位于防波提的陆域侧，在该内腔的开口处设置底板13，则半圆形拱圈11、隔板12和底板13围合成密闭的发电装置室4。另一个内腔位于防波堤的迎浪侧，在该内腔中，海面5始终不能低于半圆形拱圈11的开口端，从而保证半圆形拱圈11、隔板12和海面5始终围合成密闭的捕能气室2。如图2所示，隔板12的上端开有气流通道31，在气流通道内垂直于气流方向设置双向的空气透平3，在发电装置室4内设置发电机组，该发电机组通过联轴器与空气透平3连接。底板13与半圆形拱圈11和隔板12紧密结合，能够隔绝海水，给发电机组提供一个干燥、稳定的工作条件。

在本实施例中，底板13与隔板12连接处安设直桩15，底板13与半圆形拱圈11开口陆域侧的一端连接处安设叉桩14，半圆形拱圈11开口迎浪侧的一端安设直桩15，通过直桩15、叉桩14来支撑半圆形防波堤。本发明采用桩基式半圆型防波堤，该类型防波堤有着结构合理、受波浪作用力小、施工工序少和施工简便进度快等诸多优点。

在本实施例中，在发电装置室上方的半圆形拱圈上设置若干气流交换口16，用于防波堤内外气体交换，平衡防波堤的内外压强差。

在本实施例中，当海面处于波峰时，海面高度低于隔板12上端气流通道31的高度，避免海水与空气透平3接触，造成腐蚀。

在本实施例中，空气透平3的类型可以为萨窝纽斯式透平、威尔斯式透平或者冲击式透平。

本发明还提出了基于上述防波堤装置的发电方法，步骤如下：

步骤1、捕获波浪能：

起伏的波浪在防波堤迎浪侧的内腔中形成振荡水柱，振荡水柱引起捕能气室内的压强发生变化，在隔板两侧变化压强差的作用下，隔板上部的气流通道中形成一维方向的流动气流，波浪能成功捕获并转化为空气动能；

步骤2、捕获空气能：

如图3所示，海面处于波峰状态时，迎浪侧内腔中水柱上升，捕能气室压强增大，隔板迎浪侧气压高于陆域侧气压，形成正向流动的气流驱动空气透平运转。如图4所示，海面处于波谷状态时，迎浪侧内腔中水柱下降，捕能气室压强减小，隔板迎浪侧气压低于陆域侧气压，形成负向流动气流驱动空气透平运转。

步骤3、实现发电：

运转的空气透平通过联轴器驱动发电机组工作，从而将空气透平的动能通过发电机组转化为电能。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，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，均落入本发明保护范围之内。