一种波浪操控聚能装置及其设计方法

1.本发明涉及海洋可再生能源开发技术领域，特别涉及一种波浪操控聚能装置及其设计方法。


背景技术：

2.海洋中蕴含有丰富的资源，特别是包括波浪能、潮汐能、温差能等丰富的海洋可再生能源，可再生能源的开发是实现绿色可持续发展的重要一环。在众多海洋可再生能源中，波浪能储量丰富、分布广泛、能量密度高，具有很大的发展前景。随着离岸距离的增加，波浪能的开发成本呈指数型增加，因此岸基式波能发电装置在安装成本、输电距离、维护成本、防腐蚀等诸多方面具有优势，但是近岸波浪能密度相对较低、稳定性差、发电功率低，因此，如何进一步提升岸基波能密度是实现其实际应用的关键技术难题。
3.目前已提出各种利用波的反射聚焦原理提升波能密度的装置，如同申请人的发明zl201910191032.7提出一种近岸反射式波浪聚能发电装置，该装置通过圆弧形曲面反射实现对波浪的聚焦，显著提升了波能密度，但是该方法需要反射墙是一个曲面，即上述装置需要在近岸区域通过施工对原有码头进行改造以形成圆弧形状的堤岸，对目前常规的直线型具有垂直侧壁的码头堤岸进行上述改造，不仅工程施工难度大、成本高，并且对堤岸的结构安全性有一定破坏，使得该种方式难以直接应用于岸基式波能发电中。
4.因此，如何在不改变堤岸形状的基础上发明一种基于波反射聚焦原理的聚能装置，有效提升岸基式波能发电装置的发电功率，是当前亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种波浪操控聚能装置及其设计方法，以解决现有技术中岸基式发电装置波浪能密度低、稳定性差、发电功率低等难题。
6.本技术的第一方面提供一种波浪操控聚能装置，用于引导被直线型竖直堤岸反射的波浪，使其在水面形成波浪能聚能区域，该波浪操控聚能装置包括水平底板以及设置于水平底板的上表面的导波阵列；所述水平底板位于海底以下，其在水平面上的投影为等腰直角三角形，且所述等腰直角三角形的斜边紧贴于所述直线型竖直堤岸的岸壁；所述导波阵列包括沿所述等腰直角三角形的斜边中垂线等间隔设置的多个箭头状的导波板，每个导波板包括相对于所述斜边中垂线镜像对称地设置的第一平板与第二平板，且各个导波板在水平面上的投影截止于所述等腰直角三角形的边线；各个导波板的下端与所述水平底板固定连接，上端等高且位于水面以下。
7.进一步地，波浪操控聚能装置的整体高度h0由下式确定：
[0008][0009]
其中，d为水深，h'为大于零的实数，
[0010]
进一步地，各个导波板的高度h1由下式确定：
[0011][0012]
进一步地，所述水平底板的下表面位于海底以下的深度h2由下式确定：
[0013][0014]
进一步地，每个第一平板和与其镜像对称的第二平板在所述等腰直角三角形的斜边中垂线上结合形成的箭头自所述等腰直角三角形的底边指向其直角。
[0015]
进一步地，各个第一平板之间互相平行，其在水平面上的延伸方向与所述直线型竖直堤岸的岸壁之间的夹角θ＝31.72
°
。
[0016]
进一步地，每个第一平板的厚度w由下式确定：
[0017][0018]
其中，a为所述等腰直角三角形的直角边的长度，n为所述导波板的个数。
[0019]
优选地，其中，为向上取整符号，λ
min
为所述波浪操控聚能装置的布设区域的最小波长。
[0020]
进一步地，自所述波浪操控聚能装置上方被所述直线型竖直堤岸反射的波浪，其受所述波浪操控聚能装置引导后的传播方向与所述直线型竖直堤岸的夹角为26.57
°
。
[0021]
本技术的第二方面还提供一种波浪操控聚能装置的设计方法，用于设计前述的波浪操控聚能装置，包括以下步骤：
[0022]
第一步，测量波浪操控聚能装置布设区域的水深d；
[0023]
第二步，根据水深d计算波浪操控聚能装置的整体高度h0、各个导波板的高度h1以及水平底板的下表面位于海底以下的深度h2：
[0024][0025]
其中，h'为大于零的实数，
[0026]
第三步，根据波浪能聚能需求确定所述等腰直角三角形的直角边的边长a及导波板的个数n，
[0027]
第四步，根据a、n及θ确定每个第一平板的厚度w：
[0028][0029]
其中，θ为各个第一平板在水平面上的延伸方向与所述直线型竖直堤岸的岸壁之间的夹角且θ＝31.72
°
。
[0030]
本技术的实施例提供的一种波浪操控聚能装置及其设计方法，利用特定角度及排列方式的尖劈状导波结构，无需改变堤岸形状，即可通过对波浪传播路径的操控实现多个传播路径的波浪的反射聚焦，能够显著提升波能密度和发电功率设计；该波浪操控聚能装置结构简单，材料成本低，并且制作和施工便捷，并能够与现有的各种波浪能采集装置配
合。
附图说明
[0031]
图1为根据本技术实施例提供的波浪操控聚能装置的立体示意图；
[0032]
图2为根据本技术实施例提供的波浪操控聚能装置布设区域的立体示意图；
[0033]
图3为根据本技术实施例提供的波浪操控聚能装置布设区域的俯视图；
[0034]
图4为根据本技术实施例提供的波浪操控聚能装置布设区域的剖视图；
[0035]
图5为图4的局部放大的细节示意图；
[0036]
图6为一种现有的近岸反射式波浪聚能发电装置的俯视图；
[0037]
图7为一种呈等腰直角内陷的岸壁反射波浪的示意图；
[0038]
图8为使用本技术实施例的波浪操控聚能装置对直线型岸壁的反射波浪进行引导的示意图；
[0039]
图9为具体实施例1中布设该波浪操控聚能装置后的无量纲波场的分布图。
[0040]
图中标号
[0041]
1-导波阵列，10-水平底板，101-箭头状凹槽，11-第一平板，12-第二平板，2-直线型竖直堤岸，3-海底。
具体实施方式
[0042]
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本技术进行进一步说明。
[0043]
为了方便理解，本说明书的附图放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本技术的保护范围。此外，在本技术实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本技术实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，本技术的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本技术的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。
[0044]
本说明书中词汇是为了说明本技术的实施例而使用的，但不是试图要限制本技术。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0045]
本技术通过一些优选的实施例提供一种波浪操控聚能装置，用于引导被直线型竖直堤岸反射的波浪，使其在水面形成波浪能聚能区域，图1示出了在一些实施例中，该波浪操控聚能装置的立体图，图2及图3分别示出该波浪操控聚能装置布设区域的立体示意图、俯视图。
[0046]
在本技术的实施例中，如图2及图3所示，该波浪操控聚能装置需要紧贴于直线型竖直堤岸2的岸壁进行布设，具体地，直线型竖直堤岸2是指其岸壁为平面或从宏观上大致呈平面(达到实际施工中所要求的标准)，且该平面垂直于水平面。该种类型的堤岸常见于
港口、码头等处，因此，该波浪操控聚能装置较易在上述地区找到适宜的布设区域，且无需对港口、码头等进行额外的改造。
[0047]
如图1至图3所示，该波浪操控聚能装置包括水平底板10以及设置于水平底板的上表面的导波阵列1，其中，如图3所示，水平底板10在水平面上的投影为等腰直角三角形abc，其直角边ab、ac的长度为a，斜边bc的长为2a，且其斜边bc紧贴于直线型竖直堤岸2的岸壁。
[0048]
图4示出了该波浪操控聚能装置布设区域的剖视图，其剖切线为图3中斜边bc的中垂线oa，图5为其局部放大的细节示意图，如图4及图5所示，该波浪操控聚能装置的水平底板10位于海底3以下，即水平底板10的上表面与水面的距离大于水深d。
[0049]
如图1至图5所示，导波阵列1包括沿oa等间隔设置的多个箭头状的导波板，且每个导波板的箭头指向为自点o至点a，具体地，每个导波板包括相对于oa镜像对称地设置的第一平板11和第二平板12，每个第一平板11和与其镜像对称的第二平板12在线段oa上结合形成导波板的箭头，且各个导波板在水平面上的投影截止于等腰直角三角形abc的三条边线。
[0050]
进一步地，如图3所示，各个第一平板11之间互相平行，其在水平面上的延伸方向与直线型竖直堤岸2的岸壁之间的夹角θ＝31.72
°
。
[0051]
进一步地，如图3至图5所示，每个第一平板11及第二平板12的厚度均为w，w由下式确定：
[0052][0053]
其中，n为导波板的个数。
[0054]
如图1至图5所示，每个第一平板11及第二平板12的厚度w与导波板的个数及其延伸方向相关，如导波板数量过少，则无法实现良好的引导波浪效果，因此，在一些优选的实施例中，n的取值下限由下式确定：
[0055][0056]
其中，为向上取整符号，λ
min
为所述波浪操控聚能装置的布设区域的最小波长(该最小波长可以通过对布设区域的波浪起伏特性进行统计获取)，上述对n的选择，使得每一个第一平板11及第二平板12的厚度w小于等于布设区域最小波长λ
min
的1/5，从而能够加强对波浪传播方向的操控效果，进一步地加强聚能效果。
[0057]
进一步地，如图5所示，各个导波板的下端与水平底板10固定连接，上端等高且位于水面以下。
[0058]
具体地，该波浪操控聚能装置的整体高度h0、由下式确定：
[0059][0060]
其中，d为水深，h'为大于零的实数，
[0061]
如图5所示，各个导波板的高度h1由下式确定：
[0062][0063]
经过上述设置，上述各个相邻的导波板之间将形成宽度为w，高度为h1的箭头状凹槽101，从而对从岸壁反射的波浪形成导波效应，使其在oa上形成振幅的叠加以实现波浪的
聚能。
[0064]
进一步地，如图5所示，水平底板10的下表面位于海底3以下的深度h2由下式确定：
[0065][0066]
以下对该波浪操控聚能装置实现反射波浪引导及聚能的原理进行分析。
[0067]
发明人在专利zl201910191032.7提出一种近岸反射式波浪聚能发电装置，该装置中为了产生聚能效应，采用了如图6中所示的截面形状为圆弧状的弧形墙，对波浪的反射方向进行引导，使其在圆弧包围的区域内形成波幅的叠加。
[0068]
上述弧形墙虽然能够实现波浪的聚能，但是圆弧状且高出水面的围墙形态在各种常规的海工设施中并不多见，因此欲采用此形式进行波浪聚能，需要单独进行围墙的建设施工，或者对常规的码头、港口的堤岸进行改造，显然，上述施工或改造将对现有各类海工设施的结构造成破坏，或对其使用造成影响，因此，更加理想的方式是直接利用最为常见的直线型竖直堤岸作为反射墙，为此，需要将非直线型的反射墙压缩为直线型反射墙，同时通过设置于水下的导波结构引导波浪在直线型墙面发生反射后沿特定的角度进行传播。
[0069]
经过对不同形状的非直线型墙面压缩为直线型墙面后反射波浪受引导下的传播路径进行分析发现，圆弧型墙面压缩为直线型墙面后，无法得到解析形式的波浪引导结构，即从圆弧状墙面出发进行变换，无法构造出工程上可实施的导波结构，为此，本技术首先从图7所示的呈等腰直角三角形内陷的反射墙面(图中黑色实线构成的墙面)作为设计起点，入射波浪经过上述墙面时，发生镜面反射(如图7中经过反射的箭头所示)，并在直角三角形内部沿斜边的中垂线形成多个聚能区。
[0070]
进一步地，将上述等腰直角三角形内陷的反射墙面压缩为如图8所示的直线型墙面，并在水下设置本技术实施例所提供的波浪操控聚能装置后，波浪经过反射后将被引导沿图8中箭头所示的方向传播，并在图8中等腰直角三角形斜边中垂线上形成多个聚能区，其中，墙面反射后箭头方向与墙面的夹角为26.57
°
(需要说明的是，该夹角并不等于θ)。
[0071]
因此，通过本技术实施例所提供的波浪操控聚能装置，即可实现以直线型垂直堤岸的岸壁作为反射面，将反射波浪引导至其前方的等腰直角三角形区域内且形成多个聚能区的效果。进一步地，通过本领域技术人员已知的各种波浪能采集设备，如通过连杆连接的浮子与液压发电系统等装置，即可实现波浪能的发电。
[0072]
在本技术的一些优选的实施例中，该波浪操控聚能装置的水平底板及导波阵列可以使用耐海水腐蚀的海工材料，以整体制备或分别制备并组装的方式进行制造。优选的，可选择混凝土或者金属材料整体制作该波浪操控聚能装置，随后在选定的安装位置对海床进行挖掘，并将该波浪操控聚能装置部分埋于海床中，并使其bc边紧贴垂直堤岸的岸壁，完成安装。
[0073]
本技术的一些实施例还提供上述波浪操控聚能装置的设计方法，具体包括以下步骤：
[0074]
第一步，测量波浪操控聚能装置布设区域的水深d；
[0075]
第二步，根据水深d计算波浪操控聚能装置的整体高度h0、各个导波板的高度h1以及水平底板的下表面位于海底以下的深度h2：
[0076][0077]
其中，h'为大于零的实数，
[0078]
第三步，根据波浪能聚能需求确定所述等腰直角三角形的直角边的边长a及导波板的个数n，
[0079]
第四步，根据a、n及θ确定每个第一平板的厚度w：
[0080][0081]
其中，θ为各个第一平板在水平面上的延伸方向与所述直线型竖直堤岸的岸壁之间的夹角且θ＝31.72
°
。
[0082]
具体实施例1：
[0083]
本实施例对上述波浪操控聚能装置的聚能效果进行仿真，仿真参数分别为：
[0084]
a＝4m，n＝10，d＝0.1m，h'＝0.5，计算得到h0＝0.292m，h1＝0.242m，h2＝0.2019m，w＝0.1701m。
[0085]
图9示出了布设该波浪操控聚能装置后的无量纲波场|η/η0|分布图，其中入射波长λ＝4m，入射波高η0＝0.03m，从图中可以看出，在等腰直角三角形的装置轮廓内，出现了显著的聚能区域，聚能区域内波高可以达到入射波高的4倍以上，显示本技术提供的波浪操控聚能装置起到了显著的波能提升效果。
[0086]
以上对本技术的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本技术权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种波浪操控聚能装置，用于引导被直线型竖直堤岸反射的波浪，使其在水面形成波浪能聚能区域，其特征在于：包括水平底板以及设置于水平底板的上表面的导波阵列；所述水平底板位于海底以下，其在水平面上的投影为等腰直角三角形，且所述等腰直角三角形的斜边紧贴于所述直线型竖直堤岸的岸壁；所述导波阵列包括沿所述等腰直角三角形的斜边中垂线等间隔设置的多个箭头状的导波板，每个导波板包括相对于所述斜边中垂线镜像对称地设置的第一平板与第二平板，且各个导波板在水平面上的投影截止于所述等腰直角三角形的边线；各个导波板的下端与所述水平底板固定连接，上端等高且位于水面以下。2.根据权利要求1所述的波浪操控聚能装置，其特征在于，波浪操控聚能装置的整体高度h0由下式确定：其中，d为水深，h'为大于零的实数，3.根据权利要求2所述的波浪操控聚能装置，其特征在于，各个导波板的高度h1由下式确定：4.根据权利要求2所述的波浪操控聚能装置，其特征在于，所述水平底板的下表面位于海底以下的深度h2由下式确定：5.根据权利要求1所述的波浪操控聚能装置，其特征在于：每个第一平板和与其镜像对称的第二平板在所述等腰直角三角形的斜边中垂线上结合形成的箭头自所述等腰直角三角形的底边指向其直角。6.根据权利要求1所述的波浪操控聚能装置，其特征在于：各个第一平板之间互相平行，其在水平面上的延伸方向与所述直线型竖直堤岸的岸壁之间的夹角θ＝31.72
°
。7.根据权利要求6所述的波浪操控聚能装置，其特征在于，每个第一平板的厚度w由下式确定：其中，a为所述等腰直角三角形的直角边的长度，n为所述导波板的个数。8.根据权利要求7所述的波浪操控聚能装置，其特征在于：其中，为向上取整符号，λ
min
为所述波浪操控聚能装置的布设区域的最小波长。9.根据权利要求7所述的波浪操控聚能装置，其特征在于：自所述波浪操控聚能装置上方被所述直线型竖直堤岸反射的波浪，其受所述波浪操控
聚能装置引导后的传播方向与所述直线型竖直堤岸的夹角为26.57
°
。10.一种波浪操控聚能装置的设计方法，用于设计如权利要求1所述的波浪操控聚能装置，其特征在于，包括以下步骤：第一步，测量波浪操控聚能装置布设区域的水深d；第二步，根据水深d计算波浪操控聚能装置的整体高度h0、各个导波板的高度h1以及水平底板的下表面位于海底以下的深度h2：其中，h'为大于零的实数，第三步，根据波浪能聚能需求确定所述等腰直角三角形的直角边的边长a及导波板的个数n，第四步，根据a、n及θ确定每个第一平板的厚度w：其中，θ为各个第一平板在水平面上的延伸方向与所述直线型竖直堤岸的岸壁之间的夹角且θ＝31.72
°
。

技术总结
本发明提供一种波浪操控聚能装置及其设计方法，所述装置包括水平底板以及导波阵列；所述水平底板位于海底以下，其在水平面上的投影为等腰直角三角形，且其斜边紧贴于直线型竖直堤岸的岸壁；所述导波阵列包括沿等腰直角三角形的斜边中垂线等间隔设置的多个箭头状的导波板，每个导波板包括镜像对称的第一平板与第二平板，且各个导波板在水平面上的投影截止于所述等腰直角三角形的边线；各个导波板的下端与所述水平底板固定连接，上端等高且位于水面以下。本发明的技术方案结构简单，制造及施工成本低，且无需对现有码头、港口的结构进行改造即可实现波浪传播路径的操控与波浪聚能。改造即可实现波浪传播路径的操控与波浪聚能。改造即可实现波浪传播路径的操控与波浪聚能。


技术研发人员：张志刚 何广华 厉运周 王勇 王军成 谢玉东 栾政晓
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海） 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东大学日照智能制造研究院
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/6