提高发电稳定性和消浪效果的嵌套双气室OWC防波堤

本发明涉及海洋工程可再生能源利用，具体为一种通过外、内双气室嵌套布置提高发电稳定性和消浪效果的振荡水柱式防波堤结构。

背景技术：

1、波浪能是一种储量丰富、分布广泛的海洋可再生能源。随着绿色低碳能源开发需求的提升，将波浪能发电装置与防波堤、护岸等海岸防护结构相结合，已成为海洋工程领域的重要发展方向。该类一体化结构能够提取波浪能、消减波浪，从而兼具能源利用和海岸防护功能。振荡水柱式波浪能转换装置（oscillating water column，简称owc）是一类受到广泛研究的波浪能转换装置。其基本原理为：外部波浪通过进水口使腔内水柱产生往复振荡，引起气室内空气往复流动，进而驱动空气透平发电机实现发电。与其他波浪能转换装置相比，owc装置具有运动部件相对较少、主体结构型式简单、易于与防波堤结合等优点，因此在波浪能发电与海岸防护一体化结构中具有较好的应用前景。然而，现有owc防波堤结构仍存在一定不足。传统owc结构多采用单气室形式，在其有效工作范围内虽可产生较强的水柱振荡并获得较高的能量提取效率，但单气室owc装置中的非对称水面振荡通常会导致输出功率呈现双峰交替波动，并出现瞬时输出功率为零的时刻。该类波动会使能量提取系统需要具备更高的动态响应能力和更宽的调节范围，从而增加系统成本；同时，不稳定的功率输出还可能对电网电压和频率稳定性产生不利影响。此外，现有多气室 owc 结构多围绕能量转换效率和工作频带展开，对作为防波堤结构时功率输出稳定性与波浪消减能力的协同设计仍不充分。

2、因此，亟需提出一种新的 owc 防波堤结构，使其能够在提高功率输出稳定性的同时，兼具有效的波浪消减能力，从而满足波浪能开发与海岸防护一体化应用需求。

技术实现思路

1、解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了提高发电稳定性和消浪效果的嵌套双气室owc防波堤，能够解决单气室owc装置输出功率波动明显并存在瞬时输出功率为零的时刻，以及现有多气室owc结构多侧重于提高能量转换效率或拓宽工作频带，难以同时兼顾功率输出稳定性和波浪消减效果，不能充分满足波浪能开发与海岸防护一体化应用需求的问题。

3、技术方案

4、为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：提高发电稳定性和消浪效果的嵌套双气室owc防波堤，包括外室涡轮发电机组、内气室涡轮发电机组，还包括：

5、双气室整体外壳，所述双气室整体外壳由内气室和外气室组成，所述外气室同轴嵌套于内气室外侧，所述内气室和外气室共同构成嵌套双气室owc防波堤单元，多个所述嵌套双气室owc防波堤单元布置成排设置于海床上组成防波堤阵列；

6、移动侧壁，所述移动侧壁设置两个并分别安装在外气室的两侧，用于调节外气室的腔室面积和中轴线方向，以适应不同主导波浪周期和不同入射波方向；

7、驱动机构，所述驱动机构配置两套并设置在双气室整体外壳上端，用于独立控制两个移动侧壁的移动，使外气室的腔室面积和中轴线方向可适应不同的波浪。

8、作为上述技术方案的进一步描述，所述内气室为管桩结构，所述外气室为扇环形结构并同轴心固定在内气室的外侧，所述外气室和内气室的顶部平齐并分别安装外室蜗轮发电机组和内室蜗轮发电机组，所述外室涡轮发电机组与外气室连通，所述内室涡轮发电机组与内气室同轴设置并连通，所述外气室底部设置有入水口，所述内气室侧壁远离外气室的一侧设置有开口，所述开口最高处与外气室底部持平。

9、作为上述技术方案的进一步描述，所述内气室沿轴线方向向下延伸构成双气室整体外壳的支撑部，且通过开设在侧壁的开口使支撑部呈c形结构，所述开口的朝向与外气室的迎浪侧相背设计，使支撑部能实现背部进水消波，且可同步在内气室中形成振荡水柱，产生气流驱动内室蜗轮发电机组发电。

10、作为上述技术方案的进一步描述，所述防波堤阵列的平面排布方式包括矩形阵列和交错阵列，在交错阵列中，多个所述嵌套双气室owc防波堤单元沿垂直于波浪传播方向布置成排，相邻的两排所述嵌套双气室owc防波堤单元沿波浪传播方向依次设置，后一排所述嵌套双气室owc防波堤单元布置于前一排相邻嵌套双气室owc防波堤单元之间的间隔区域内。

11、作为上述技术方案的进一步描述，每排所述嵌套双气室owc防波堤单元采用等尺寸或渐变尺寸中的其中一种形式布置，且阵列形式采用交错阵列，采用渐变尺寸布置时，远海侧的嵌套双气室owc防波堤单元特征尺寸较最小，近海侧的嵌套双气室owc防波堤单元的特征尺寸最大，可减少波浪经阵列间隙直接透射，提高防波堤阵列整体对波浪消减的效果。

12、作为上述技术方案的进一步描述，所述移动侧壁为扇环形结构，所述外气室的侧壁开设有与移动侧壁相配合的通道，所述移动侧壁的内环侧与内气室的外侧贴合，所述移动侧壁的外环侧与外气室的内侧贴合，所述内气室的外壁设置有上轨道和下轨道，所述外气室的下端设置有外轨道，所述移动侧壁的上端设置有与上轨道相配合的弧形滑轨，所述移动侧壁的内环侧下端边角处设置有缺口，使移动侧壁的内环侧滑动连接在下轨道内，所述移动侧壁的外环侧滑动连接在外轨道内，通过所述上轨道、下轨道和外轨道共同支撑移动侧壁围绕内气室周向移动。

13、作为上述技术方案的进一步描述，所述上轨道为分段式，其中一段为弧形导轨，另一端为开设在外气室上端内侧同弧度的弧形槽，所述弧形导轨和下轨道的一端均设置有限位块。

14、作为上述技术方案的进一步描述，所述驱动机构包括立轴，所述立轴通过多个轴承座转动连接在内气室的内侧，所述立轴的上端通过密封轴承转动连接在内气室的上端，所述内气室的上端固定连接有减速电机，所述减速电机的输出端与立轴的上端固定连接，所述内气室的外侧开设有两个弧形限位槽，两个所述弧形限位槽内均滑动连接有弧形齿条，且弧形齿条固定在移动侧壁的一侧，所述弧形限位槽的一侧设置有矩形通孔，所述矩形通孔内设置有齿轮，所述齿轮同轴心固定在立轴的轴壁上并与弧形齿条啮合。

15、作为上述技术方案的进一步描述，所述移动侧壁的上端开设有多排均匀分布的泄压孔，且每排所述泄压孔的孔径渐变设计。

16、作为上述技术方案的进一步描述，所述外气室的上端固定连接有电动推杆，所述电动推杆的活塞杆一端固定连接有锁止杆，所述移动侧壁的上端沿弧线路径开设有多个锁止孔，所述锁止杆与锁止孔配合对调节角度后的移动侧壁进行锁止，减少波浪冲击侧壁时对驱动机构的作用力。

17、有益效果

18、与现有技术相比，本发明提供了提高发电稳定性和消浪效果的嵌套双气室owc防波堤，具备以下有益效果：

19、1、本发明通过外、内双气室嵌套布置，使两气室共同参与波浪能提取，并利用内气室对外气室下方水体的阻挡作用增强外气室水柱振荡，使整体波浪能提取能力优于外、内气室单独作用效果的简单叠加，能够增强波浪能提取能力。

20、2、本发明通过外、内气室交错振荡，使两气室产能峰值与低值在时间上互补，从而降低整体产能波动，避免整体瞬时输出功率为零的时刻，能够显著提升发电稳定性。

21、3、本发明通过调节外气室平面面积改变外气室自振周期，通过调节外气室中轴线方向适应不同入射波方向，并通过调节外、内气室涡轮阻尼比改变两气室产能贡献比例，使装置在主导波浪周期和入射波方向随季节或海况变化时，仍能保持较好的发电稳定性和波浪消减性能，能够增强对不同海况的适应能力。

22、4、本发明通过内气室对外气室下方水体的阻挡作用、内外双气室对波浪能的共同提取作用以及结构自身的遮蔽作用，增强对入射波能量的消耗，降低透射波能量，能够提高波浪消减效果。

23、5、本发明的结构单元可组成矩形阵列、交错阵列或渐变式阵列，以扩展波浪消减范围和发电规模，适用于不同近海防护和波浪能开发场景，能够提高波浪消减效果。