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1、第37卷第4期2016年4月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAV0137，No4Apr，2016文章编号：02540096(2016)041057-07基于TFD模型对大小长山岛海域潮流能估算郭 伟1，康海贵1，汪求顺1，于 汀2(1大连理工大学，海岸和近海T程国家重点实验室，大连116024；2中海油研究总院，新能源研究中心，北京100027)摘要：基于潮流场评估的数值模型(tidal flow development，TFD)对大连大小长山岛之间海域的潮流场进行数值模拟，得到该海域沿水深平均的潮流场分布。模型计算和实测结果接近，可得出该海域潮流为明显的往复流
2、，最大流速可达到2 ms，较适合进行潮流能开发应用。结合有效影响因子SF评估方法对该海域潮流能进行评估，大潮期间最大瞬时峰值潮流能储量为90 MW，可开发利用总装机容量达到18 MW，年平均发电量33107 kwh。结果表明，该数值模型可有效弥补潮流能流速实测资料不足的问题，为准确评估潮流能储量提供一种有效的方法。关键词：数值模型；大小长山岛；SF方法；潮流能评估中图分类号：TV21 11+5 文献标识码：AO 引 吾开发海洋可再生能源从长远观点来看，对减轻能源危机以及避免气候变化都将起到重要的作用。而海洋潮流能以其可预估性，能量稳定性高以及不占用陆地等优点成为人们研究的重点。，。潮流能应用开
3、发首先需对拟开发建站海域潮流场分布进行计算并评估可供开发的潮流能总量。我国从20世纪80年代就开始对潮流能资源区域进行评估，郑志南b 3在分析潮流多重变化周期的基础上，建立潮流的数学模型，根据最大流速及小大潮幅值比，结合水轮机功率利用系数与机组效率，推导出可装机容量、年发电量和发电时间的估算公式。进人21世纪，吕新刚等【6对4种潮流能资源计算方法的优缺点进行介绍和总结，在此基础上提出适合我国潮流能估算的思路。吕新刚等n1随后基于普林斯顿海洋模型(POM)对胶州湾潮汐潮流进行数值模拟，研究表明数值模拟方法能有效弥补潮流实测资料稀缺的不足。2012年侯放阻3基于有限体积法海洋模型(FVCOM)对舟
4、山群岛海域潮流特征进行了数值模拟，通过实测数据的对比，证明计算结果可模拟该海域潮流特征，利用该模型结合Flux方法得出龟山航门水道潮流能理论可开发量。武贺等9 3利用FVCOM数值模型结合能量耗散理论对成山头海域潮流能可开发量进行了评估。吴伦宇等州基于FVCOM数值模型建立了渤海海峡潮汐潮流模型，对渤海大范围海域内的潮流能进行评估。国外如英国及欧盟。从20世纪90年代就对欧洲沿岸海域潮流能进行了调研，相继提出用Farm方法、Flux方法和有效影响因子(SF)方法等进行潮流能可开发量的估算。苏格兰斯特拉斯克莱德大学Couch2。建立了水深平均的流体运动数值模型(tidal flow develo
5、pment，TFD)，该模型利用有限差分法对控制方程求解。本文在此模型基础上进行改进，选用四点差分方法，改善二点迎风差分格式耗散率过大和三点中心差分格式计算过程数值振荡等缺点，提高计算结果的可靠性和稳定性。同时在泰勒级数展开式中系数q取为05，由此截断误差达到三阶的精度。利用该改进模型对大连长山岛海域的潮流能进行估算。收稿日期：20140418基金项目：国家海洋局海洋可再生能源专项资金(GHME201 ICLOI)通信作者：郭伟(1983一)，男博士研究生，主要从事海洋可再生能源潮流能应用技术开发方面的研究。weigu02006maildluteducn万方数据1058 太 阳 能 学 报 3
6、7卷1模型建立11控制方程考虑到安装水轮机尺寸与水深一致，而垂向尺度远小于水平尺度，因此在潮流能评估计算中，垂向平均的二维模型能给出较准确的结果。控制方程如下：连续方程：塑+型+掣：D (1)Ot Ox av。 动量方程：掣+掣+掣呼罢耐孚22+型学+吾2击(雕罟)+专p咄(考+鲁珊(2)掣+掣+掣=埘一曲舅谚2孚+!学+舌击p。危LOayu+一av I+2专(pp。考)(3)式中，田自由水面；u沿水深平均流速在z方向上的分量；总水深；r沿水深平均流速在Y方向上的分量卜科氏力参数；g重力加速度；几曼宁摩擦系数；P流体密度；P。空气密度；c。空气阻力系数；职、髟一x,y方向的风速；v沿水平湍动粘
7、度，其表达式如式(4)所示。：竺巫唾2二121 (4)式中，K冯卡门常数。12方程的离散化处理由于篇幅所限，公式推导仅以戈方向为例，节点网格图如图1所示。司1 节点网格HFig1 Node snd四点差分泰勒级数展开格式：中G一2Ax)一34(xAx)+30(x)一函+Ax)=l一缸z雩+05Ax，磐+HoTI (5)式中，咖戈的泰勒级数；H0T高阶截断误差项，由此可知计算精度可达到三阶。令qu=uh，qv=vh，对于连续方程离散格式表达为：立A鲨t+煎!A!x二煎+噬：A!V二煎=。(6) 。 。石方向动量方程离散格式为： 百O(qu)=警k+lk(7)m f 、。一O(quu)Ox=I煎丛
8、盟2Ax+上3hx(g吐ziu：扩 1一一一-纠,*k k+1 k I,-qui*tjUi+t,J习(8)O(quv)一Ig“：+。丢(秽：+。+移：+：+口l“+。+秽兰u+：)一g配：j一。(秽：一。+口：+秽l。j+吐u)妙 I 2缸去陋-2(秽：-2+口”砧-Li-z+130t)一3本-水川+秽：+吐Lj-I+V+3qu：百1 L口uk+秽：+口l。+秽兰u+。)一g“：+。丢(秽：+。+秽：+z+秽兰，。+。+秽兰。+：习 (9)J压力梯度项： 式中，g、卜无量纲量。砂署=g毕笺， 麟加：万方数据4期 郭伟等：基于TFD模型对大小长山岛海域潮流能估算 1059旷孚2 2=g(华)2u
9、：瓜河百五巧砑眦+。+hl；卅戈方向的科氏力：厶可【(掣：+掣：-i,j+掣：+，+掣k+)4】 (12)吉仁击(以署)+专p。(芳+赛V2等+O妒2qu气O：qav列=掣一2(学+(学)+(挚)一(冬笋)(13)至此，水流运动控制方程的离散过程结束。2长海县大小长山岛数值模型计算海域为辽东半岛东侧黄海海域的大连市长海县大小长山岛之间狭长的水道(图2)，南北宽4 km，东西长10 km，模型计算等水深线见图3。网格划分见图4图2计算海域一大小长山岛海域Fig2 Computation domain-Daxiaochangshan island图3模型计算等水深线及站点位置Fig3 Depth
10、contour an(1 measuremenl site图4模型网格划分Fig4 Meshed grid计算初始条件为水位叩和流速,，均为零；开边界选择M：，S：，N：，O。，K。，M。，M。，M。，S。和S。10个分潮进行驱动；海岸边界采用滑移边界。3计算结果与验证在大潮期间(2008年4月67 Et，即农历三月初二初三)和小潮期间(2008年4月1314日，即农历三月初八初九)进行4个站同步海流周日连续定点观测，观测站位见表l。这些观测资料为海域周围工程建设和潮流场数值模拟计算提供依据。表1实测海流观测站位表Table l Observation site table of measur
11、ed current数值模拟结果与各站点实测流速大小和方向的比较见图5。图8。从4个观测站点计算流速和万方数据太 阳 能 学 报 37卷实测值对比可看出，模型的计算结果和实测值基本一致，说明该数值模型较准确地模拟了该水域潮流运动特性。从流向的验证过程可看出该海域潮流为往复流，无论对于水平轴式水轮机还是竖轴水轮机来说，该特征明显的往复流更适合潮流能水轮机360270善180麓90036027018090O时刻站点3安装以及能量获取。在流速的验证过程中可发现，大小潮期间靠近大长山岛海域的流速较大，更加适合进行潮流能开发。站点1模拟值和实测值显示大潮期间最大流速接近2 ms，这一流速显示该水道区域丰
12、富的潮流能资源。时刻站点2罔5大潮期问4个站点流速验证站点4Fig5 Validation of the velocity at four stations during the spring title时刻a站点1时刻360270180趣900360270蚤180熊900j刻站点2嗣6大潮期间4个站点流向验证d站点4Fig6 Validation of the direction at four stations(1uting the spring tide万方数据4期 郭伟等：基TTFD模型对大小长山岛海域潮流能估算 1061O5005OO 5OO时刃a站t哆10焉遮05005OO500站
13、点2。站点3 d站点4羽7小潮期间4个站点流速验证Fig7 Validation of the velocity al four stations during the neap tide时功a站毒 站点2c站点3 d站点4图8小潮期间4个站点流向验证Fig8 Validation of the direction at four stations during the neap tide4海域潮流能储量估算潮流场的分布状况是建设潮流能电站的基础，精确的模拟结果能提供更准确的流场信息，为规划潮流能电场以及安装潮流能装置提供了有利的数据技术支持。通过TFD数值模型对大小长山岛水道进行数值模拟，图
14、9给出了沿水深平均的涨落潮流速分布矢量图(涨潮流自东向西，落潮流自西向万方数据太 阳 能 学 报 37卷东)。由图9可看出在z值位于55008500 m区域内，由于水道宽度逐渐缩小，大潮期间流速最大值均达到2 ms，因此在此段水道上能流密度超过4 kWm2。假定水深在15 m以上水道具备安装潮流能发电装置的条件，由水深资料可知平均水深在15 m以上的水道宽度平均值约为1500 m，则根据能通量理论推算出大潮期间潮流能瞬时峰值可达90 MW。4000 6000 8000 1 0000xma涨潮期间b落潮期i、uJFig9涨落潮期间流速矢量分布图Fig9 Velocity vector distr
15、ibution during the flood andebbtide相对于潜在的潮流能储量来说，可供开发利用的潮流能仅为潮流能储量的十分之一。Black&Veatch咨询公司n引(简称BV公司)在2004年对英国和欧洲潮流能资源进行评估时提出的有效影响因子SIF概念，其意义为在不产生显著环境或经济影响前提下，可供开发利用的潮流能占总潮流能资源的百分比。研究表明在大部分海域SIF值为1020，而在潮流通道(通道一端连接封闭海湾，另一端连接宽阔海域)的情况下，SIF值可达30。大小长山岛潮流水道两端连接宽阔海域，因此选取SIF平均值20来计算该水道潮流能可开发利用量，可推算出大潮期间瞬时可开发利
16、用量峰值为18 MW，即若在该水道上安装潮流能发电装置，最大总装机容量可达18 MW。大小长山岛海域以半日潮为主，每天有4个平潮期共约10 h流速为零或流速太小而无法利用，每天可利用的时间约为14 h。则年可发电时间为365x14=5510 h。由于大流速时间段仅占可利用流速时间段的四分之一，因此保守估算平均开发量取大潮瞬时可开发总量的三分之一，即平均可开发利用量6 MW，年平均发电量33107 kWh。假定海岛上用电每户每月100 kWh，则可为275万户居民供电。5结论通过对TFD潮流模型计算精度的改进，消除了二点迎风格式耗散率过大以及三点中心差分结果振荡性的影响，提高了计算收敛速度以及结
17、果准确性。通过对大小长山岛海域的模拟，流速大小和方向与实测数据一致，表明利用该潮流能模型能较好地模拟狭长水道潮流场。结合SIF有效因子法对大小长山岛水道进行潮流能估算，该海域最大总装机容量可达18 MW，年平均发电量可达33107 kWh，表明该海域较适合进行潮流能开发利用。参考文献l 1 j Li Dong，Wang Shujie，Yuan PengAn overview ofdevelopment of tidal current in China：Energy resource，conversion technology and opportunitiesJRenewableand Su
18、stainable Energy Reviews，2010，14(9)：2896-29052 Liu Hongwei，Ma Shun，Li Wei，et a1A review on thedevelopment of tidal current energy in China【J 1Renewable and Sustainable Energy Reviews，201 1，l 5(2)：1141一11463 段自豪，陈正寿潮流发电现状分析及未来展望J中国水运(下半月)，2012，(2)：lO卜107，1453Duan Zihao，Chen ZhengshouTidal current pow
19、erstatus analysis and future prospectsJ ChinaWaterTransport，2012，(2)：10每一107，1454 张亮，李新仲，耿敬，等潮流能研究现状J_新能源进展，2013，(1)：5368【4J Zhang Liang，Li Xinzhong，Geng Jing，et a1TidalOO00如加m产、万方数据4期 郭伟等：基于TFD模型对大小长山岛海域潮流能估算 106355667788current energy update 2013JAdvances in New andRenewable Energy，2013，(1)：53缶8郑志
20、南海洋潮流能的估算公式IJ哈尔滨船舶工程学院学报，1987，(2)：3744Zheng ZhinanEstimation formula of ocean currentenergy【J jJournal of Harbin Engineering University，1987(2)：3744吕新刚，乔方利海洋潮流能资源估算方法研究进展J海洋科学进展，2008，(1)：98一108Lyu Xingang，Qiao FangliAdvance in study on tidalcurrent energy resource assessment methods lJjAdvance in Ma
21、rine Science，2008，(1)：98108吕新刚，乔方利，赵昌，等海洋潮流能资源的数值估算以胶州湾口为例J太阳能学报，2010，31(2)：137一143Lyu Xingang，Qiao Fangli，Zhao Chang，et a1Numerical evaluation of tidal stream energy resources inthe ocean：A case study in Jiaozhou bay mouth【J JActaEnergiae Solaris Sinica，20103l(2)：137143侯放基于FVCOM的舟山群岛海域潮流能分析D青岛：中国海洋
22、大学，2012Hou FangThe analysis of tidal energy in zhoushanisland based on FVCOMD JQingdao： OceanUniversity of China20129910101213武贺，王鑫，韩林生成山头海域潮流能资源可开发量评估J海洋与湖沼，2013，(3)：570576Wu He，Wang Xin，Han LinshengAssessment ofextractable energy of tidal current at Cheng Shan Toucape【J JOceanologia Et Limnologia
23、Sinica，2013，(3)：57m一576吴伦宇，王兴，熊学军渤海海峡潮流能高分辨率数值估算J海洋科学进展，2013，(1)：1221Wu Lunyu，Wang Xing，Xiong XuejunAssessment oftidal stream energy in the Bohai strait using a highresolution model l J jAdvance in MariHe Science，2013。(1)：1221王传岜，芦苇海洋能资源分析方法及储量评估M北京：海洋出版社，2009Wang Chuankun，Lu WeiAnalysis method and
24、reserveestimation of ocean energy l M JBeijing：China OceanPress，2009Couch S JNumerical modeling of tidal flow aroundHeadlands and Island l D jUniversity of Sserathclyde，2001Black Veatch Consulting LtdUK，Europe，and globetidal energy resource assessmentlR JNo107799D2100m52004EV久LUATIoN oF TIDAL CUItRE
25、NT ENERGY oF DAXIAo CHANGSHANISLAND厂ATERS BASED oN TFD MoDELGuo Weil，Kang Haiguil，Wang Qiushunl，Yu Tin92(1StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering，Dalian UniversityofTechnology，Dalian 116024，China；2NewEnergyResearch Center，CNOOCResearchInstitute，Beijing 100027，China)Abstract：The tidal curre
26、nt field in Daxiao Changshan island waters was simulated numerically based on the numericalmodel of Tidal Flow Development(TFD)，and the average distribution of tidal current field along the water depth in thewaters was obtainedThe simulation results is quite close to the measured data of tidal curre
27、nt，the tidal flow in thatwaters is obvious reciprocating flow，the maximum velocity Call reach up to 2 ms which is suitable to development oftidal current energyThe significant impact factor(sir)method is used to evaluate the tidal current energy in the watersThe maximal instantaneous peak reserves o
28、f tidal flow energy can be 90 MW and the exploitable installation capacity is1 8 MW，the average annual electricity yield is approximately 33 X 107 kWhThe results show that the numerical modelcan effectively compensate for the insufficient problem of velocity measurement data and provide an effective method toevaluate the reserves of tidal current energyKeywords：numerical model；Daxiao Changshan island；胛method；tidal current energy evaluation万方数据