一种兼具发电功能的新型浮式防波堤结构

1.本发明属于海洋工程的技术领域，具体涉及一种兼具发电功能的新型浮式防波堤结构。


背景技术：

2.防波堤是一种重要的海洋工程结构物，主要用于抵御海洋极端波浪对于海洋结构物的侵害，目前已广泛应用于港口，码头，海上石油钻井平台的海工结构的保护。科学设计的防波堤可以有效衰减波浪能量，进而起到如减小作用在跨海桥梁上的波浪力，改善远海岛礁工程建设中的不利海况等功能。防波堤主要分为浮式防波堤和下潜式防波堤两种，浮式防波堤接近波浪能量聚集区，防护效果更好。并且，在台风易发和水位改变剧烈区域，浮式防波堤可根据水位和波浪运动而变化，适应不同水位，和不同波长的极限波浪，适用范围更广、但传统的浮式防波堤结构在使用过程中被发现存在极端波浪作用下结构运动幅度过大甚至整体倾覆，结构部件破坏后不易维修更换等使用痛点。
3.能源是现代社会进行各类生产活动的第一动力。随着国家“碳中和”、“可持续发展”等绿色高质量发展理念的推进，我们对绿色可再生能源的需求也不断增长。在诸多新型能源中，波浪能以其能量储备多，能量密度高，分布广泛等原因，已经成为研究开发的热点。与此同时，在诸如海上风力发电机等远海工程的建设中，如何保证建设期内的海洋波浪环境平稳，如何提供方便可靠的能源动力已经成为该类工程建设的一大“卡脖子”问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种兼具发电功能的新型浮式防波堤结构，以解决或改善上述的问题。
5.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种兼具发电功能的新型浮式防波堤结构，其包括圆筒型浮式单元、防波堤下部储能模块、防波堤锚固模块、扇形分体式涡轮叶片和防波堤结构体系；
7.防波堤结构体系内固定扇形分体式涡轮叶片；圆筒型浮式单元包括两个浮筒，两个浮筒对称设于防波堤结构体系上端的两侧；两个浮筒的下端通过挡浪板与防波堤下部储能模块连接；防波堤下部储能模块与扇形分体式涡轮叶片刚性连接；防波堤下部储能模块的底部通过多根锚索与防波堤锚固模块固定相连。
8.进一步地，浮筒为中空且两端封闭的钢管，钢管的两端与防波堤结构体系相连。
9.进一步地，浮筒外表面喷射有防腐涂层；浮筒内沿钢管的长度方向间隔设置有多道横隔舱；横隔舱内均匀填充有用于调整浮筒浮力的填充件。
10.进一步地，防波堤结构体系包括两个三角形桁架和轴心钢管；两个三角形桁架倒立设置，轴心钢管设置于两个三角形桁架的顶点之间；扇形分体式涡轮叶片固定于轴心钢管上。
11.进一步地，一个三角形桁架的两个边角分别设于两个浮筒的同侧表面上，另一个
三角形桁架的两个边角分别设于两个浮筒对立侧的表面上。
12.进一步地，轴心钢管长度方向的中轴线与浮筒的中轴线平行。
13.进一步地，防波堤下部储能模块包括两个储能装置，两个储能装置分别设于两个浮筒下方，并通过挡浪板与浮筒固定连接。
14.进一步地，储能装置包括混凝土外壳和设置于混凝土外壳内的内壳；内壳内安装有与扇形分体式涡轮叶片刚性连接的铅蓄电池或锂电池。
15.进一步地，防波堤锚固模块包括两个混凝土锚碇；两个所述混凝土锚碇分别位于两侧的储能装置的斜下方；混凝土锚碇通过多根锚索与储能装置相连；多根锚索之间互为平行。
16.进一步地，扇形分体式涡轮叶片包括多个扇形分体式叶片，多个扇形分体式叶片间隔分布于轴心钢管上。
17.本发明提供的兼具发电功能的新型浮式防波堤结构，具有以下有益效果：
18.1、本发明的浮筒采用大直径，宽间隔的设计，可以提供足够浮力和越浪间隔，浮筒内间隔设置多个横隔舱，横隔舱内填充有填充件，填充件可以调整防波堤浮力和淹没深度，进而在防波堤减浪效果和发电效率间灵活取舍。
19.2、本发明相对现有浮式防波堤结构中涡轮发电装置直接迎浪的设计，本方案中将大直径双圆柱浮筒单元设于两侧，中置扇形分体式涡轮叶片(涡轮发电装置)的设计可有效提高涡轮发电装置在极端波浪下的结构安全性。
20.3、本发明浮筒下面设置挡浪板，为扇形分体式涡轮叶片周边提供区域稳定流场，提高涡轮机发电效率。挡浪板下方设置箱体(储能装置)，用于存放蓄电池等储能装置，大体积箱体的设计提供了充裕的储能装置存放空间。同时，蓄电池等储能装置密度大的特点使得防波堤结构重心可以再次下移，更进一步提高了结构稳定性。
21.4、本发明采用扇形分体式涡轮叶片的设计，其一方面利用扇形体结构增强了叶片根部强度，弥补了既往浮式防波堤结构涡轮叶片频繁折断的缺点，另一方面，分体间隔式的叶片布局更进一步促进了防波堤两侧的水体流动，利于海洋环境保护，也利于破损叶片的更换。
22.5、本发明防波堤结构体系中的两个三角形桁架结构的设计，增强了防波堤各部位间的连接刚度，保证了新型防波堤结构的可靠性。
23.6、储能装置下方设置混凝土锚碇，混凝土锚碇结构采用下沉式锚碇与平行锚索结合的方式，用于将浮式防波堤单元固定在特定海域。
附图说明
24.图1为兼具发电功能的新型浮式防波堤结构的正视图。
25.图2为兼具发电功能的新型浮式防波堤结构的三维视角图。
26.其中，1、浮筒；2、挡浪板；3、三角形桁架；4、储能装置；5、锚索；6、混凝土锚碇；7、扇形分体式涡轮叶片；8、轴心钢管。
具体实施方式
27.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发
明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
28.根据本技术的一个实施例，参考图1和图2，本方案的兼具发电功能的新型浮式防波堤结构，包括圆筒型浮式单元、防波堤下部储能模块、防波堤锚固模块、扇形分体式涡轮叶片7和防波堤结构体系。
29.防波堤结构体系内固定扇形分体式涡轮叶片7；圆筒型浮式单元包括两个浮筒1，两个浮筒1对称设于防波堤结构体系上端的两侧；两个浮筒1的下端通过挡浪板2与防波堤下部储能模块连接；防波堤下部储能模块与扇形分体式涡轮叶片7刚性连接；防波堤下部储能模块的底部通过多根锚索5与防波堤锚固模块固定相连。
30.本发明通过圆筒型浮式单元、防波堤下部储能模块、防波堤锚固模块、扇形分体式涡轮叶片7和防波堤结构体系，既能消减波浪能量，又能提供绿色动力；不仅显著提高了浮式防波堤结构的稳定性，而且可以更高效地利用波浪能量。
31.具体的，本发明为半固定式浮筒1式防波堤结构，浮筒1为中空且两端封闭的钢管，钢管的两端与防波堤结构体系相连。
32.圆柱形的浮筒1采用两端密封的大直径钢管，在钢管表面加设防腐涂层，钢管长4m，外直径1m，壁厚0.005m。
33.沿钢管长轴线方向在钢管内部设置多道横隔舱，横隔舱内均匀填充有用于调整浮筒1浮力的填充件，填充件可根据实际应用场景而定，在此不做限制。
34.横隔舱可避免浮筒1内填充材料在波浪震荡作用下，向一侧不断偏斜，最终引发“头重脚轻”现象。
35.防波堤结构体系为全钢结构，采用直径0.3m，壁厚0.01m的钢管焊接而成，其具体包括两个三角形桁架3和轴心钢管8；两个三角形桁架3倒立设置，轴心钢管8设置于两个三角形桁架3的顶点之间；扇形分体式涡轮叶片7固定于轴心钢管8上。
36.一个三角形桁架3的两个边角分别设于两个浮筒1的同侧表面上，另一个三角形桁架3的两个边角分别设于两个浮筒1对立侧的表面上。轴心钢管8长度方向的中轴线与浮筒1的中轴线平行。
37.防波堤下部储能模块包括两个储能装置4，两个储能装置4分别设于两个浮筒1下方，并通过挡浪板2与浮筒1固定连接。
38.储能装置4由混凝土外壳和高分子材料内壳组成，单个储能装置4尺寸为0.8m
×
0.4m
×
4m，储能装置4可采用铅蓄电池或者锂电池等方法储存扇形分体式涡轮叶片7产生的能量。储能装置4在安装时应保证长期处于水面以下，可以利用海水的降温作用，避免在夏季高温直射下，储能装置4内部温度过高，引发安全问题。
39.防波堤锚固模块包括两个混凝土锚碇6；两个混凝土锚碇6分别位于两侧的储能装置4的斜下方；混凝土锚碇6通过多根锚索5与储能装置4相连；多根锚索5之间互为平行。
40.混凝土锚碇6提供底部约束，单个混凝土锚碇6尺寸为1m
×
0.8m
×
4m，锚碇质量为浮筒1排水质量的2倍以上。
41.单个锚碇上设置三组以上平行钢丝锚索5以提供水平方向约束，钢丝表面覆盖防腐涂层防止海水侵蚀。
42.扇形分体式涡轮叶片7包括多个扇形分体式叶片，多个扇形分体式叶片间隔分布于轴心钢管8上。扇形分体式叶片采用扇形分体式叶片设计，采用高分子材料制成，具有耐氧化、耐海水腐蚀和韧性好等优点。使用时可根据实际海域条件，设置不同间隔和数量的涡轮叶片，然后固定在桁架结构的轴心钢管8上。
43.本发明的建筑施工过程为：
44.1)在陆上预制场中，焊接钢管以得到防波堤结构体系；
45.2)将扇形分体式涡轮叶片7安装于防波堤结构体系中的轴心钢管8上；
46.3)连接储能装置4和涡轮叶片发电模块，在陆地上调试发电功能，确保波浪能功能正常；
47.4)组装储能装置4，扇形分体式涡轮叶片7，防波堤结构体系和圆筒型浮式单元，然后运送至指定海域；
48.5)在指定海域下放浮式防波堤单元，并利用高强锚索5锚固连接。
49.本实施例的工作原理为：
50.多个浮式防波堤结构通过涡轮叶片轴心钢管8，及圆柱形浮筒1相互连接成单元，然后沿着设计的防波堤布置方案形成的浮式防波堤系统，其消浪原理是将浮筒1和储能装置4连接形成的阻水面置于波浪传播方向，当波浪抨击在迎水面阻水面时，波浪发生破碎崩塌，水质点速度有所降低，然后落入前后两浮筒1间设置的扇形分体式涡轮叶片7上。波浪的一部分动能和势能转化为涡轮叶片的动能，涡轮叶片开始发电，将能量传输储存至浮筒1下方的储能装置4中。传输过涡轮叶片后，波浪抨击在背水面浮筒1上，再次对波浪进行阻断衰减作用。最终，波浪在经过迎水面浮筒1阻水面作用、涡轮叶片耗能作用、背水面浮筒1阻水面作用的三重组合消波设置后，以较平稳的形式到达保护海域。
51.本发明的浮式防波堤结构兼具发电功能，利用漂浮在海面上的浮体单元影响波浪传播，使得波浪破碎，耗散波浪能量，涡轮叶片进一步提高了波浪的耗散效果，同时还使得防波堤具备了波浪能发电功能。除此，本发明的防波堤结构制造安装简单，维护拆除便捷，适用海域范围广，具有较好的应用前景。
52.虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。