(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利地址316021浙江省舟山市定海區(qū)浙大路一號司33200一種寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防本發(fā)明公開了一種寬頻俘能消浪的波能利21.一種寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防波堤，其特征在于，包括波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)以及底部樁基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)；所述波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)由振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元組成，振蕩水柱波能所述前氣室由氣室前墻、控制室前墻以及裝置頂板圍成，位于波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)內(nèi)部的迎浪測；所述后氣室由氣室后墻、控制室后墻以及裝置頂板圍成，位于波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)內(nèi)部的背浪測；所述橫向水道由控制室底板以及裝置底板圍成；橫向水道分別與前氣室和后氣室連通，氣室前墻底部與裝置底板之間設(shè)置有間距作為橫向水道與外界環(huán)境的連通開口；前氣室、后氣室的頂部均設(shè)置有空氣透平，前氣室、后氣室通過空氣透平與外界空氣連通，所述控制室由控制室前墻、控制室后墻、控制室底板以及裝置頂板組成；所述前氣室和后氣室均為豎向設(shè)置的方形氣室，前氣室的尺寸設(shè)計使得其形成的前振蕩水柱裝置共振周期對應(yīng)海域高頻波浪，橫向水道與后氣室的尺寸設(shè)計使得L形振蕩水柱裝置共振周期對應(yīng)海域低頻波浪，前后振蕩水柱裝置波能轉(zhuǎn)化性能疊加后，振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元共振周期與目標(biāo)海域年平均波浪周期相等，實現(xiàn)寬頻高效俘獲波浪能量，進而消減波能；所述控制室內(nèi)配備有空氣透平控制系統(tǒng)；空氣透平控制系統(tǒng)內(nèi)置有最佳轉(zhuǎn)速與波浪參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，所述波浪參數(shù)為波高與波周期，空氣透平控制系統(tǒng)根據(jù)入射波浪參數(shù)調(diào)節(jié)前氣室和后氣室的空氣透平的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)波能高效俘獲；所述底部樁基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)包含樁基礎(chǔ)以及頂部面板，其中，迎浪測的樁基礎(chǔ)采用直樁和單斜樁組合方式，背浪測的樁基礎(chǔ)采用雙斜樁組合方式，樁基礎(chǔ)通過樁帽與頂部面板銜接；所述裝置底板安裝在所述頂部面板上；所述透空式防波堤的設(shè)計方法包括如下步驟：S1.收集實際布置海域的波浪條件與潮位情況，分析得到海域內(nèi)年平均波浪周期T以及設(shè)計低水位；S2.氣室前墻底部高程設(shè)置為比設(shè)計低水位低1.0m,同時控制室底板的底部高程不高于氣室前墻底部高程以便于前氣室捕獲波能；S3.通過物理模型實驗或者數(shù)值模擬計算確定振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元尺寸，其中，尺寸設(shè)計需使前振蕩水柱裝置共振周期比T小，以轉(zhuǎn)化較短周期能量；后振蕩水柱裝置共振周期比T大，以轉(zhuǎn)化較長周期能量；且前、后振蕩水柱裝置轉(zhuǎn)化性能疊加后，振元共振周期與T相等，以實現(xiàn)對目標(biāo)海域波浪能量的寬頻高效俘獲，進而實現(xiàn)波能消減；S4.在振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元尺寸確定的情況下，通過試驗獲得不同波浪參數(shù)下，前、后氣室的空氣透平的最佳轉(zhuǎn)速，將其存儲在空氣透平控制系統(tǒng)中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防波堤，其特征在于，所述前氣室和后氣室頂部的裝置頂板區(qū)域均開有圓形管口，空氣透平安裝在所述圓形管口內(nèi)，所述空氣透平用于在振蕩水柱激發(fā)的往復(fù)氣流推動下將氣動能轉(zhuǎn)化為自身旋轉(zhuǎn)的機械能進而帶動發(fā)電機發(fā)電。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防波堤，其特征在于，所述控制室底板加厚設(shè)計，在起到保護控制室的同時增加防波堤上部結(jié)構(gòu)自重，增強穩(wěn)定性；氣室后墻為三角構(gòu)型，上窄下寬，三角構(gòu)型有效抵御波浪荷載所帶來的傾覆力矩，增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防波堤，其特征在于：所述的S3中，振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元尺寸包括前振蕩水柱裝置的尺寸和后振蕩水柱裝置的尺寸，其中，前振蕩水柱裝置的尺寸包括：前氣室寬度、氣室前墻吃水深度以及控制室前墻吃水深度；后振蕩水柱裝置的尺寸包括：后氣室寬度、控制室后墻吃水深度、橫向水道高度以及橫向水道寬度。4技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明屬于防波堤設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防波堤及其設(shè)計方法。背景技術(shù)[0002]波浪能是一種優(yōu)質(zhì)且重要的清潔可再生能源，具有能源品位高、蘊藏總量大、能流密度高、分布范圍廣等優(yōu)點，被世界主要海洋國家視為解決能源短缺、保護生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略性資源。[0003]波浪能發(fā)電技術(shù)已有逾百年的歷史，關(guān)于波浪能發(fā)電技術(shù)的專利多達數(shù)千項，發(fā)電裝置形式多種多樣，按照工作原理的不同主要可以分為振蕩水柱式、聚波越浪式和振蕩體式三種。這其中振蕩水柱式裝置與其他波能轉(zhuǎn)化裝置最大的區(qū)別在于其主體結(jié)構(gòu)為氣室，波浪激發(fā)氣室內(nèi)水柱振蕩，驅(qū)動氣室內(nèi)空氣產(chǎn)生往復(fù)氣流，推動空氣透平旋轉(zhuǎn)進而帶動[0004]目前困擾振蕩水柱式裝置發(fā)展的主要有高效性及經(jīng)濟性難題：一是振蕩水柱裝置的波能俘獲效率不夠理想，高效俘獲頻帶較窄，當(dāng)波浪頻率遠離振蕩水柱共振頻帶時，波能俘獲頻率急劇下降；二是氣室結(jié)構(gòu)所需體積一般較大，基建費用普遍較高，投資回報比較[0005]波浪是最重要的海洋動力因素之一，傳統(tǒng)的斜坡堤、直立堤或混成堤可以防御波浪的侵襲，為港區(qū)提供平穩(wěn)的水域和安全的停泊、作業(yè)條件。但隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展，海洋開發(fā)利用逐漸走向深水，同時人類對海洋環(huán)境保護的越發(fā)重視，傳統(tǒng)防波堤已不能完全適應(yīng)發(fā)展的需求。透空堤作為一種可適用于較深水深的新型“綠色”防波堤，利用了波浪主要能量集中在水體表層這一特性，其具有工程造價對水深不敏感、水體交換性能良好等優(yōu)勢，受到了國內(nèi)外海岸和近海工程界越來越多的關(guān)注與重視，應(yīng)用前景廣闊。但目前透空式防波堤面對中長周期波浪時波浪防護性能仍較不理想，亟需探索優(yōu)勢透空式防波堤構(gòu)型。[0006]將振蕩水柱式裝置與防波堤集成布置以實現(xiàn)功能互補與成本分擔(dān)是極具前景的雙贏發(fā)展策略：振蕩水柱式裝置捕獲波能，消減波浪，波能利用與波浪防護功能兼容；波浪防護所在地通常波浪較大，即波能資源豐富，工作條件兼容；共享海上基礎(chǔ)設(shè)施，有助于降低投資成本，提高經(jīng)濟性；海能海用就地提供電發(fā)明內(nèi)容[0007]為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防波堤及其設(shè)計方法。本發(fā)明聚焦透空式振蕩水柱式裝置與透空式防波堤共性問題——高效工作頻帶寬度狹窄以及對低頻波浪作用效果差，本發(fā)明基于橫向水道結(jié)構(gòu)，進行共振周期互補式設(shè)計，實現(xiàn)寬頻波能俘獲，進而實現(xiàn)寬頻波浪防護性能，重點突破透空式防波堤對較長周期波的波能消減難題。此外，本發(fā)明以波能俘獲方式消減波浪，寬頻帶消減入射波浪5的同時可產(chǎn)出可再生電力，并采用樁基透空式基礎(chǔ)，允許港區(qū)內(nèi)外水體交換，環(huán)境友好性顯著,是一種極具發(fā)展前景的綠色防波堤。[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下：[0009]本發(fā)明提供了一種寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防波堤，其包括波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)以及底部樁基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)；所述波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)由振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元組成，振蕩水柱[0010]所述前氣室由氣室前墻、控制室前墻以及裝置頂板圍成，位于波能轉(zhuǎn)化單元內(nèi)部的迎浪測；所述后氣室由氣室后墻、控制室后墻以及裝置頂板圍成，位于波能轉(zhuǎn)化單元內(nèi)部的背浪測；所述橫向水道由控制室底板以及裝置底板圍成；橫向水道分別與前氣室和后氣室連通，氣室前墻底部與裝置底板之間設(shè)置有間距作為橫向水道與外界環(huán)境的連通開口；前氣室、后氣室的頂部均設(shè)置有空氣透平，前氣室、后氣室通過空氣透平與外界空氣連通，所述控制室由控制室前墻、控制室后墻、控制室底板以及裝置頂板圍成；[0011]所述底部樁基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)包含樁基礎(chǔ)以及頂部面板，其中，迎浪測的樁基礎(chǔ)采用直樁和單斜樁組合方式，背浪測的樁基礎(chǔ)采用雙斜樁組合方式，樁基礎(chǔ)通過樁帽與頂部面板銜接；所述裝置底板安裝在所述頂部面板上。[0012]優(yōu)選的，所述前氣室和后氣室均為豎向設(shè)置的方形氣室，橫向水道與后氣室聯(lián)通形成L形振蕩水柱裝置，所述前氣室的尺寸設(shè)計使得其內(nèi)形成的前振蕩水柱裝置共振周期對應(yīng)高頻波浪，所述橫向水道與后氣室的尺寸設(shè)計使得L形振蕩水柱裝置共振周期對應(yīng)低頻波浪。前后振蕩水柱裝置波能轉(zhuǎn)化性能疊加后使得所述振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元共振周期與目標(biāo)海域年平均波浪周期T相等。[0013]優(yōu)選的，所述前氣室和后氣室頂部的裝置頂板區(qū)域均開有圓形管口，空氣透平安裝在所述圓形管口內(nèi)，所述空氣透平用于在振蕩水柱激發(fā)的往復(fù)氣流推動下將氣動能轉(zhuǎn)化為自身旋轉(zhuǎn)的機械能進而帶動發(fā)電機發(fā)電。[0014]優(yōu)選的，所述控制室內(nèi)配備有空氣透平控制系統(tǒng)；空氣透平控制系統(tǒng)內(nèi)置有最佳轉(zhuǎn)速與波浪參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，所述波浪參數(shù)為波高與波周期，空氣透平控制系統(tǒng)根據(jù)入射波浪參數(shù)調(diào)節(jié)前氣室和后氣室的空氣透平的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)波能高效俘獲。[0015]優(yōu)選的，所述控制室內(nèi)配備有儲能單元，儲能單元可以為蓄電裝置，用于存儲空氣透平獲得的電能。[0016]優(yōu)選的，所述控制室底板加厚設(shè)計，在起到保護控制室的同時增加防波堤上部結(jié)型有效抵御波浪荷載所帶來的傾覆力矩，增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。[0017]本發(fā)明還提供了一種所述透空式防波堤的寬頻俘能消浪設(shè)計方法，其包括如下步[0018]S1.收集實際布置海域的波浪條件與潮位情況，分析得到海域內(nèi)年平均波浪周期T以及設(shè)計低水位；[0019]S2.氣室前墻底部高程設(shè)置為比設(shè)計低水位低1.0m,同時控制室底板的底部高程不高于氣室前墻底部高程以便于前氣室捕獲波能；[0020]S3.通過物理模型實驗或者數(shù)值模擬計算確定振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元尺寸，其中，尺寸設(shè)計需使前振蕩水柱裝置共振周期比T小，以轉(zhuǎn)化較短周期能量；后振蕩水柱裝置共振6周期比T大，以轉(zhuǎn)化較長周期能量；且前、后振蕩水柱裝置轉(zhuǎn)化單元共振周期與T相等，以實現(xiàn)對目標(biāo)海域波浪能量的寬頻高效轉(zhuǎn)化，進而實現(xiàn)波能消[0021]S4.在振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元尺寸確定的情況下，通過試驗獲得不同波浪參數(shù)下，前、后氣室的空氣透平的最佳轉(zhuǎn)速，將其存儲在空氣透平控制系統(tǒng)中。[0022]所述的S3中，振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元尺寸包括前振蕩水柱裝置的尺寸和后振蕩水柱裝置的尺寸，其中，前振蕩水柱裝置的尺寸包括：前氣室寬度、氣室前墻吃水深度以及控制室前墻吃水深度；后振蕩水柱裝置的尺寸包括：后氣室寬度、控制室后墻吃水深度、橫向水道高度以及橫向水道寬度。[0024]本發(fā)明通過新穎橫向水道設(shè)計，使得前、后振蕩水柱自然頻率分別對應(yīng)高、低頻率波浪，使得裝置在較寬頻帶范圍內(nèi)具有優(yōu)良的波能轉(zhuǎn)化性能；橫向水道結(jié)構(gòu)同時可作為前、后氣室聯(lián)系通道，基于波浪衍射特性，充分發(fā)揮氣室間相干作用，增強整體裝置的波能俘獲[0025]本發(fā)明涉及控制室內(nèi)配備有空氣透平控制系統(tǒng)；空氣透平控制系統(tǒng)內(nèi)置有最佳轉(zhuǎn)速與波浪參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，所述波浪參數(shù)具體是為波高與波周期，的對應(yīng)關(guān)系，空氣透平控制系統(tǒng)根據(jù)入射波浪參數(shù)用于根據(jù)入射波況調(diào)節(jié)前氣室和后氣室的空氣透平的額定轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)波能高效俘獲。[0026]本發(fā)明整體裝置經(jīng)濟性強：通過將振蕩水柱系統(tǒng)與透空式防波堤集成化設(shè)置，以波能俘獲形式消減波浪，并共享施工空間、資源與基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)了功能互補與成本分擔(dān)。[0027]本發(fā)明整體裝置環(huán)境友好性強：透空式結(jié)構(gòu)可滿足內(nèi)外水體交換，同時波浪能轉(zhuǎn)化綠色低碳，可系統(tǒng)化、規(guī)?；仉娏Ξa(chǎn)出為其自身以及周邊產(chǎn)業(yè)能源供應(yīng)體系助力。[0028]綜上所述，本發(fā)明將可靠性強的振蕩水柱式裝置與透空式防波堤集成設(shè)置，兼顧波能俘獲與波浪防護性能，并滿足了內(nèi)外水體的交換需求，是一種極具發(fā)展前景的綠色防附圖說明[0029]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；[0030]圖2是本發(fā)明的實際建設(shè)完成后的結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖；[0031]圖3為實驗?zāi)Ｐ徒孛娉叽纾籟0032]圖4為各模型的波-氣轉(zhuǎn)化效率隨波周期變化曲線；[0033]圖5為透射系數(shù)隨波周期變化曲線。具體實施方式[0034]下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明做進一步闡述和說明。所述實施例僅是本公開內(nèi)容的示范且不圈定限制范圍。本發(fā)明中各個實施方式的技術(shù)特征在沒有相互沖突的前提[0035]如圖1所示，為本發(fā)明所提出的寬頻俘能消浪的波能利用型透空式防波堤的一種具體結(jié)構(gòu)示例，其主要包括波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)以及底部樁基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)；所述波能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)由7振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元組成，波能轉(zhuǎn)化單元由前氣室1、后氣室2、橫向水道3、空氣透平4以及控制室5組成。所述前氣室由氣室前墻6、控制室前墻7以及裝置頂板8圍成，位于防波堤內(nèi)部的迎浪測；所述后氣室由氣室后墻9、控制室后墻10以及裝置頂板8圍成，位于防波堤內(nèi)部的背浪測；所述橫向水道由控制室底板11以及裝置底板12組成；所述控制室由控制室前墻7、控制室后墻10、控制室底板12以及裝置頂板8組成；所述底部樁基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)包含樁基礎(chǔ)以及頂部面板13,迎浪測的樁基礎(chǔ)14采用直樁和單斜樁組合方式，背浪測的樁基礎(chǔ)15采用雙斜樁組合方式，樁基礎(chǔ)通過樁帽16與頂部面板13銜接。波能轉(zhuǎn)化單元通過裝置底板12固定安裝在所述頂部面板13上。[0036]首先，需詳細調(diào)查收集實際布置海域的波浪條件與潮位情況等數(shù)據(jù)，可通過波浪浮標(biāo)實測數(shù)據(jù)或Mike21等數(shù)值軟件推算波浪條件，通過潮位站得到潮位數(shù)據(jù)，分析得到海域內(nèi)年平均波浪周期T,以及設(shè)計低水位等。[0037]其次，為使更多能量進入整個雙氣室體系，氣室前墻6吃水深度應(yīng)盡可能小，將其底部高程設(shè)置為比設(shè)計低水位低1.0m,同時控制室底板11底部高程需不高于氣室前墻6底部高程以便于前氣室捕獲波能。[0038]進一步的，振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元尺寸需進行物理模型實驗或者數(shù)值模擬計算進行確定。尺寸設(shè)計需使前振蕩水柱裝置共振周期比T略小，轉(zhuǎn)化較短周期能量；后振蕩水柱裝置共振周期比T略大，轉(zhuǎn)化較長周期能量；兩裝置轉(zhuǎn)化性能疊加后，使振蕩水柱波能轉(zhuǎn)化單元共振周期與T相等，實現(xiàn)對目標(biāo)海域波浪能量的寬頻高效轉(zhuǎn)化：[0039]具體的，前氣室由氣室前墻6、控制室前墻7以及裝置頂板8組成，控制前振蕩水柱裝置共振周期，具體需要設(shè)計的尺寸包括：前氣室寬度(氣室前墻6與控制室前墻7間的橫向距離)、氣室前墻6吃水深度(氣室前墻6底部到靜水面的縱向距離)以及控制室前墻7吃水深度(控制室前墻7底部到靜水面的縱向距離),使。[0040]具體的，后氣室由氣室后墻9、控制室后墻10以及裝置頂板8組成，橫向水道由裝置底板12以及控制室底板11組成，后氣室與橫向水道共同控制后部L形振蕩水柱裝置共振周期，具體需要設(shè)計的尺寸包括：后氣室寬度(氣室后墻9與控制室后墻10間的橫向距離)、控制室后墻10吃水深度(控制室后墻底部到靜水面的縱向距離)、橫向水道高度(裝置底板12上沿以及控制室底板11下沿之間的縱向距離)以及橫向水道寬度(控制室底板11下沿橫向尺寸)。[0041]具體的，在此給出一例基于物理模型實驗研究振蕩水柱轉(zhuǎn)化單元結(jié)構(gòu)尺寸的過[0042]a.通過波況調(diào)查，確認目標(biāo)海域年平均波浪周期6.0s、50年一遇平均周期8.0s、設(shè)[0043]b.實驗幾何比尺定為1:25,則時間比尺為1:5.因此模型尺度內(nèi)數(shù)據(jù)為年平均波浪[0044]c.初步確定實驗周期為0.7-1.6s,實驗水深0.4m,實驗波高0.04m。本實驗擬定氣室前墻6吃水0.1m,前氣室寬度0.1m,橫向水道高度0.1m,寬度0.2m,通過調(diào)整后氣室寬度對共振周期進行調(diào)控，具體實驗?zāi)Ｐ徒孛娉叽缫妶D3,模型頂板開有圓形孔口用于模擬軸流沖8采集系統(tǒng)，具體設(shè)置不作贅述，可參見本領(lǐng)域相關(guān)文獻(如：冷杰.振蕩水柱式防波堤水動力及流場特性試驗研究[D].浙江大[0047]f.各模型的波-氣轉(zhuǎn)化效率隨波周期變化曲線如圖4,可以發(fā)現(xiàn)模型1、2前氣室共振周期均為0.9s,而后氣室共振周期由于后氣室寬度不同分別為1.4s和1.6s,也因此耦合前后氣室波能轉(zhuǎn)化效果后，模型1、2波能轉(zhuǎn)化性