一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元及系统的制作方法

本发明属于防波堤技术领域，具体涉及一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元及系统。

背景技术：

随着世界能源日趋紧张，海洋能作为一种新能源的来源，以其独特的优势和战略地位吸引了人们的注意。据统计，海洋能占全球能源总量的70％，其中潮流能约为50亿kw，波浪能约为25亿kw,大气能量为1017kw，如果这些巨大的海洋能量可以开发利用，将会造福全人类。同时海洋能是解决我国沿海和海岛能源短缺的主要途径。我国沿海地区人口集中，资产密集，社会经济发达。沿海岛屿是正在开发或已开发的新的社会经济体或国防前哨。电力缺乏已经成为制约我国沿海特别是海岛社会经济发展的关键因素。因地制宜在沿海和海岛建设适用的海洋能发电系统，是补充沿海电力短缺和解决海岛居民及驻军用电问题的主要途径之一。

梳式防波堤作为一种新型防波堤形式是将传统的方形沉箱按照一定的比例取出代之以沉箱翼板，在平面上形成梳齿状的直立式防波堤。在其间断部分与预制胸墙形成消浪室，具有聚波、消浪、透流、轻型降低地基承载力等优点，并已在大连大窑湾港区建成示范项目。梳式防波堤翼板与前墙不在一个平面内，二者之间的间距使得波浪力到达防波堤的峰值交错，减小了防波堤受到的总水平波浪力，既做到了自重减轻又避免了自重减轻带来的不利影响，保持结构稳定。梳式防波堤消浪室内水动力特性复杂，但理论分析可以证明该处的波幅相对前墙处增大，有很强的聚波效果；研究表明当后翼板吃水大于前翼板时，消浪室内共振波高会增加。

振荡浮子式波浪能发电装置是通过波浪带动浮子上下运动，再将浮子的相对运动机械能转化成电能的波能利用装置，在国内外均有实际应用。然而其固定方式仍存在一定问题：小型的发电装置可以直接漂浮在水面上，但其发电效率不高，大型的发电装置锚固方式有两种，一是通过牵引绳使装置悬浮在海中，但其受到海流的影响较大，不够稳定；另一种是直接固定在海床上，这种方式只适用于浅海领域，水深较深时在海床上创造适合固定的条件造价相对较高，很难达到令人满意的发电性价比。因此，该类装置在恶劣服役环境下对结构的稳定性和可靠度要求较高，限制了装置发电效率高的优势。

振荡水柱式波浪发电装置利用空气作为转换的介质，能量的采集通过气室完成，气室的下部开口在水下与海水连通，气室的上部开口与大气连通。气室内的水柱在波浪的作用下做上下往复运动，水柱的作用类似于活塞，水柱的不停运动导致水柱自由表面上部的空气柱产生振荡运动，空气在气室上方的出气孔流经一个往复透平，透平转轴与发电机相连，可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。振荡水柱式波浪发电装置采用空气传递能量，可以避免波浪对发电系统的直接打击，延长发电系统的工作时间，降低发电成本。

水力透平式发电装置利用潮流直接驱动发电机组进行潮流能向电能的转换，结构简单，发电效率高；然而其基础固定花费较多，工作的潮流需要其它装置来进行约束，无法达到满意发电行性价比。在梳式透空收缩水道防波堤沉箱中间集成水力透平式发电装置，既节约了水力透平式发电装置独立建造基础的费用，又利用梳式透空收缩水道防波堤结构对进出港的潮流进行约束保障发电效率的最大化。

风能发电装置利用风力推动风桨叶片，将风能转化为机械能；再由叶片带动发电机组，将机械能转化为电能，实现风能到电能的转化。考虑到海上风平稳、风机利用率高、单机装机容量大和不占用陆地资源优势，风电发展逐步迈向海洋时代，但是风能发电装置的安装基础成本限制了风能发电装置在海洋中的普及。梳式防波堤与风机发电相结合，极大程度上提高了风机的稳定性和可靠性，也可以消减风能，降低风乘波波幅，保证港区内的水面平稳。

公开号为cn109706886a的专利中公开了一种集成振荡浮子式与水力透平式发电装置的梳式防波堤系统，包括梳式透空收缩水道防波堤系统、振荡浮子式发电系统和水力透平式发电系统；所述梳式透空收缩水道防波堤系统包括抛石基床、间隔设置在抛石基床上的削角沉箱、设置在削角沉箱之间的前翼板与后翼板、设置在削角沉箱、前翼板和后翼板上方的胸墙；所述削角沉箱、前翼板和后翼板形成仓室，所述振荡浮子式发电系统设置在仓室内，所述水力透平式发电系统设置在抛石基座上且在后翼板的下方。该系统中虽然在两个沉箱之间增加了水力透平机，但未能充分利用潮汐能。

技术实现要素：

本发明的目的在于在现有技术的基础上再集成风能发电装置和振荡水柱式波浪发电装置，提供一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括削角沉箱；所述的削角沉箱安装在抛石基床上，削角沉箱顶部安装有胸墙；所述的胸墙长度大于削角沉箱，且胸墙超出削角沉箱部分的下方安装有前翼板和后翼板，由削角沉箱、胸墙、前翼板和后翼板构成仓室；所述的前翼板与后翼板在竖直方向上的宽度均小于削角沉箱；还包括振荡浮子；所述的振荡浮子安装于仓室中；所述的仓室顶部安装有进出气孔，进出气孔处设有空气透平装置；在竖直方向上所述的后翼板的宽度大于所述的前翼板。

本发明还可以包括：

还包括风力发电机；所述的风力发电机的风扇安装于削角沉箱顶部外侧，其余部分安装于削角沉箱中。

所述的振荡浮子安装于仓室中央；所述的进出气孔处有两个，分别安装于振荡浮子左右两侧的顶部胸墙处。。

本发明的目的还在于提供一种由集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元构成的一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤系统。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：该系统由集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元首尾连接构成，且系统最后以削角沉箱结尾。

本发明还可以包括：

所述的集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元中还包括风力发电机；所述的风力发电机的风扇安装于削角沉箱顶部外侧，其余部分安装于削角沉箱中。

所述的集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元中振荡浮子安装于仓室中央，进出气孔处有两个，分别安装于振荡浮子左右两侧的顶部胸墙处。

本发明的有益效果在于：

本发明通过振荡浮子式发电系统和振荡水柱式发电系统将堤前波浪能部分转化为电能；通过收缩水道聚集波浪，利用不对称吃水翼板形成的仓室共振增大振幅，增大浮子的相对运动机械能从而提高波浪能的转换效率；通过安装在梳式防波堤透空处的水力透平式发电装置将潮流能转换为电能，通过收缩水道集束水流，提高发电效率；通过风力发电机将风能转化为电能，平稳水面降低港区内波高。将防波堤前波浪能与潮流能转换为电能，减小防波堤前所受荷载，提高了集成系统的整体稳定性；同时集成梳式防波堤系统改善了振荡浮子式、振荡水柱式和水力透平式发电装置的工作环境，降低了振荡浮子式、振荡水柱式和水力透平式发电装置独立建造成本。

附图说明

图1为一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元的结构示意图。

图2为含有两个削角沉箱的集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤系统的结构主视图。

图3为一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元的结构右视图。

图4为一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元的结构左视图。

图5为一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元的结构主视图。

图6为一种集成多种海洋能发电装置的梳式防波堤单元的结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明基于已有技术，为缓解我国岛礁建设对电力供给的迫切需求，提出一种集成振荡浮子式发电装置、振荡水柱式发电装置、水力透平式发电装置和风机发电装置的梳式透空收缩水道防波堤系统。在收缩水道梳式防波堤沉箱中间集成振荡浮子式发电装置，既节约了振荡浮子式发电装置独立建造基础的费用，又利用沉箱和翼板改善了振荡浮子的工作环境，这样可以解决振荡浮子式发电装置的固定成本和工作环境问题，从而充分利用振荡浮子式发电装置效率高的优势。

集成梳式透空收缩水道防波堤系统与振荡浮子式、振荡水柱式波浪能发电装置、水力透平式潮流能发电装置和风机发电装置转换系统的新型结构型式，一方面可以利用波浪能、潮流能和风能发电缓解岛礁电力供给的迫切需求，同时利用防波堤结构作为波浪能、潮流能和风能发电装置安装基础降低发电成本；另一方面通过利用发电装置将波浪能和潮流能转化为电能，可以降低防波堤前能量，进而提高梳式防波堤整体结构的稳定性，利用风能发电装置将风能转化为电能，可以减小风乘波波幅，保障港区内的水面平稳。

一种集成振荡浮子式、振荡水柱式、水力透平式和风能发电装置的梳式透空收缩水道防波堤系统包括：梳式透空收缩水道防波堤系统、振荡浮子式发电系统、振荡水柱式发电系统、水力透平式发电系统和风能发电系统。梳式透空收缩水道防波堤系统包含抛石基床8，削角沉箱7，胸墙6，前翼板4，后翼板2；其中削角沉箱7沿防波堤轴向间隔布置，前翼板4和后翼板2设置在相邻削角沉箱7之间，胸墙6设置在削角沉箱7和前翼板4后翼板2上方。振荡浮子式发电系统的振荡浮子3安装在削角沉箱7与前翼板4，后翼板2围成的仓室之间；振荡水柱式发电系统是在削角沉箱7与前翼板4，后翼板2围成的仓室的进出气孔1处连接空气透平带动发电机进行能量转换；水力透平式发电系统安装在抛石基床8上位于梳式透空收缩水道防波堤透空处，即后翼板2下方；风能发电系统9安装在削角沉箱7上方，受力支撑基础穿过削角沉箱7上盖板安装在梳式防波堤基础上。

梳式透空收缩水道防波堤系统：该系统由抛石基床、削角沉箱、前翼板、后翼板和胸墙组成。将削角沉箱沉放于抛石基床上，翼板与沉箱主体浇筑成一个整体，沉箱上方浇筑混凝土胸墙，通过翼板和胸墙共同作用将左右两个沉箱结构连接为一个整体，提高结构的整体稳定性。两侧削角沉箱与前后翼板将形成仓室，波浪在仓室内共振，后翼板吃水大于前翼板，共振的水面波动幅度会远高出波浪的幅度，大大提高浮子的相对运动机械能从而提高发电效率；将仓室的进出气孔连接空气透平带动发电机，也可形成振荡水柱式发系统，进行波浪能的二次采集；同时，将传统梳式防波堤方箱进行削角形成收缩水道，可以聚集能量，直接提高水力透平式发电装置的发电效率；将风机安装在沉箱上，可将风能转化为电能。

振荡浮子式波浪能发电装置安装在两沉箱与前后翼板形成的仓室之间。通过波浪的振幅带动浮子进行相对运动，将波浪能转换为机械能再转换为电能，本发明中结合吃水不对称仓室与收缩水道可以提高振幅，增大振荡浮子的相对运动机械能，从而提高发电效率；降低堤前波浪能量，减小堤前波浪力，同时减少翼板和胸墙的所受荷载，起到保护梳式防波堤的目的。仓室可以保护浮子避免直接受到波浪冲击，减小横向和纵向的摆动，改善了振荡浮子的工作环境。

振荡水柱式波能发电装置是在振荡浮子式波能发电装置的基础上改进而来，波浪在仓室中振荡，为平衡仓室内外气压，需进行开孔连接内外空气，本发明中在进出气孔上连接空气透平带动发电机进行发电，形成振荡水柱式波能发电装置，对波浪能进行二次转换，进一步降低发电成本。

水力透平式发电装置利用梳式防波堤基础安装在后翼板下方梳式防波堤的透空处。涨潮的时候潮流通过梳式防波堤透空处流向港区内，在这过程中驱动水力透平机的转动进行发电，收缩水道进行潮流的聚集可以提高发电效率；在落潮过程中，梳式防波堤整体进行潮流的约束，让潮流仅从安装有水力透平式发电装置的防波堤透空处流出，增加潮流利用率，提高发电效率。

风能发电装置安装在沉箱上方位置，受力支撑结构穿过沉箱上板面，固定在梳式防波堤基础之上，保证风机的稳定。利用海上风能推动发电机转动，最终实现风能向电能的转换。风机可以采用变桨技术，根据风向的变化，改变发电机桨叶的方箱，始终保持风能发电效率最大化。

集成系统优势在于利用振荡浮子式发电系统、振荡水柱式发电系统和水力透平式发电系统充分获取堤前能量；利用削角沉箱形成收缩水道聚集能量，提高波浪能和潮流能转换效率；将振荡浮子式发电系统置于两沉箱和前后翼板形成的仓室之间显著提高发电效率和有效改善浮子装置的工作环境；将仓室进出气孔连接空气透平形成振荡水柱式波能发电系统对波浪能进行二次转换；将风能发电装置集成在梳式防波堤上充分利用风能，有利于港区内的水面稳定；利用梳式防波堤基础作为振荡浮子式发电系统、振荡水柱式发电系统、水力透平式发电系统和风能发电系统的安装基础，可以降低发电成本。

本发明的功能实现过程如下：

振荡浮子式发电装置，一方面波浪通过削角沉箱7形成的收缩水道进行第一次波浪能汇聚，提高波浪振幅；另一方面波浪在两个相邻削角沉箱7和前翼板4，后翼板2形成的仓室内共振可以极大地提高波浪振幅；振荡浮子3安装于仓室中；波浪振幅提高可以增大振荡浮子的相对运动机械能，再通过发电装置将机械能转换为电能。这样就通过削角沉箱7与前翼板4，后翼板2的设计提高了振荡浮子式发电装置的发电效率。同时，将浮子安装在削角沉箱7与前翼板4，后翼板2围成的仓室之间，可以避免浮子直接受到波浪力的横向与纵向冲击；极大的改善了振荡浮子的工作环境。

振荡水柱式发电装置，当波峰到达集成系统前侧，通过前翼板4进入仓室，引起仓室内水面上升，进而压缩仓室内空气，使得仓室内空气气压大于大气气压，仓室内空气通过进出气孔1流向大气中同时驱动安装在进出气孔1处的空气透平装置运动，继而实现波浪能向电能的转换；当波谷到达集成系统前侧，引起仓室内水面下降，使得仓室内空气气压低于大气气压，大气中气体将通过进出气孔1进入仓室，同时驱动安装在进出气孔1处的空气透平装置运动，继而实现波浪能向电能的转换。

水力透平式发电装置，一方面涨潮时潮流通过削角沉箱7，后翼板2和抛石基床8形成的透空口流向港区内，这一流动过程中潮流将驱动安装在透空口处的水力透平机5，将潮流能转换为电能；潮流经过削角沉箱7形成的收缩水道汇聚，可以提高潮流能的发电效率；另一方面落潮时，港区内的水位高于港区外的水位，梳式防波堤将对潮流进行阻拦，约束梳式防波堤内潮流从透空口处流出，可以最大程度的利用潮流能，提高发电效率。

风能发电装置，通过海风推动桨叶旋转带动发电机进行发电。风向改变时，利用变桨技术，测量风向，自动调整桨叶与风向角度，以达到风能利用最大值。

本发明的有益效果在于：

本发明通过振荡浮子式发电系统和振荡水柱式发电系统将堤前波浪能部分转化为电能；通过收缩水道聚集波浪，利用不对称吃水翼板形成的仓室共振增大振幅，增大浮子的相对运动机械能从而提高波浪能的转换效率；通过安装在梳式防波堤透空处的水力透平式发电装置将潮流能转换为电能，通过收缩水道集束水流，提高发电效率；通过风力发电机将风能转化为电能，平稳水面降低港区内波高。本发明通过将防波堤前波浪能与潮流能转换为电能，减小防波堤前所受荷载，提高了集成系统的整体稳定性；同时集成梳式防波堤系统改善了振荡浮子式、振荡水柱式和水力透平式发电装置的工作环境，降低了振荡浮子式、振荡水柱式和水力透平式发电装置独立建造成本。

本发明将沉箱设计成削角形式，可形成收缩水道，聚集波浪能量，提高波浪振幅，增大浮子的相对机械位移，提高发电效率。

前后两块吃水不对称翼板与削角沉箱形成仓室增大波浪在仓室内的共振，可以进一步提高波浪振幅，增大浮子的相对运动机械能，提高发电效率；同时可以避免浮子直接受到波浪力的横向与纵向冲击；保障浮子随波浪上下周期运动的效率；改善振荡浮子的工作环境的同时，进一步提高了发电效率。

在振荡浮子式波能发电装置的基础上，在仓室的进出气孔处连接空气透平形成振荡水柱式波能发电装置，对波浪能进行二次转换，进一步提高波浪能的转换效率，同时大大减少了振荡水柱式波能发电装置的建设成本。

振荡浮子式发电装置、振荡水柱式发电装置、水力透平式发电装置和风能发电装置安装在梳式防波堤的抛石基床上，减少了独立建造基床的成本，提高了发电性价比；同时将梳式防波堤打造成“能源堤”，可提供足量、稳定的输出电源。

将堤前波浪能和潮流能转换为电能，降低了堤前总体能量，减小堤前荷载作用力，提高了梳式透空收缩水道防波堤系统的整体稳定性和安全性；将风能转化为电能，可降低港区内风乘波波幅，有利于港区内水面平稳。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。