潮流能量的提取及对其流速的影响.pdf

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1、第45卷第2期2015年2月中国海洋大学学报PERl0DICALOFOCEANUNIVERSITY0FCHINA45(2)：001～007Feb．，2015潮流能量的提取及对其流速的影响+鲍敏，鲍献文(中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266100)摘要：本文在经过验证的QuoddyRegion海域三维潮流数值模型的基础上，植入了提取潮流能的数值计算模块。确定了WesternPassage在3种涡轮机布设方式下能够提取的能量以及提取能量的效率，其中采取3排涡轮机交叉布设的方式时，1个大小潮时间内提取的能量最高，可达1148．1MWh，提取效率为4．57％，远高于另外2种

2、方式。在单排涡轮机布设的实验中(实验一)，通过改变速度衰减系数，得到了可提取能量随速度衰减系数的变化曲线，该曲线与前人在理论分析时得到的曲线类似。同时本文还分析了提取潮流能给周围流场带来的影响。关键词：潮流能；提取；影响；模型；曲线中图法分类号：P731．23文献标志码：A文章编号：1672—5174(2015)02—001—07DOI：10．16441／j．cnki．hdxb．20130357潮流能是可再生能源的重要组成部分，具有很大的发电潜力。对潮流能可用资源的评估是当前潮流能开发研究的重点。在设置潮流能发电站前，需要首先评估涡轮机阵列能够提取的能量及提取能量的效率

3、。Lanchester[1]和Betz[2]提出最大可供提取的能量是未受干扰时潮流能蕴藏量的59％。然而从潮流中提取能量的过程通过增强阻力和减慢水流的方式对潮流产生影响，从而反过来限制了可供提取的潮流能。考虑潮流通过涡轮机之后流速会产生下降，Garrett和Cummins[3]认为，最大可供提取的能量是未受干扰时潮流能储量的38％，此时通过涡轮机之后的流速是未受干扰时流速的58％。Garrett和Cumminsc4]认为，最大可供提取的能量随着阻塞比(涡轮机面积与断面面积之比)的增加而减小。前人的研究都忽略了潮流通道中地形与剪切流所引起的复杂性。此外，提取能量所带来的影

4、响不仅仅局限于涡轮机周围，对上下游乃至更远的地方都会造成影响[5书]，会改变进入水道中的水流(比如说，很多前人研究中所谓的未受干扰时的流量或流速)。因此在真实海湾中评估可供提取的潮流能是非常有必要的，且涡轮机装置也可能会对局地的生态系统造成影响‘7—8I。海洋数值模型是在海湾、潮流通道尺度上模拟水流的时空分布的有力工具。为了能模拟提取能量产生的影响，将涡轮机的作用视为阻力做功或者将提取能量的过程视为局地能量损耗的办法经常被应用于数值模型中[5毛争11]。但是几乎所有的方法都没有考虑涡轮机之间的相互作用，而是将涡轮机阵列视为一个整体，且存在诸多造成物理意义不清晰的假设。本

5、文中关注的研究区域是美国境内的CobscookBay和美国与加拿大共享的PassamaquoddyBay(见图1)，这2个海湾及附近海域通常简称为QuoddyRe—gion，处于缅因湾的东部，芬迪湾的湾口位置。该海域是缅因州进行提取潮流能试验的首选区域。文献E12]中建立了QuoddyRegion的三维潮流数值模型，本文中实现了潮流能在海洋动力模型中的提取。本文中采取速度跃变法是在涡轮机所处的单个网格上减小流速。模型在开发潮流能之处进行了加密处理，分辨率可达25m，近似真实的涡轮机的尺寸，因此可以采用逐点的方法来模拟提取潮流能时单个涡轮机的尾流效应。模型的结果可以确定Q

6、uoddyRegion潮流能密度高值区所在的位置，得到不同涡轮机阵列下所能提取的能量，更重要的是可以模拟提取潮流能所产生流场的变化。1潮流模型概述有限体积近海海洋模型(FVCOM)被用于建立QuoddyRegion的潮流模型以及运行能量提取的实验。模型的水深范围是海平面以上2．8m至海平面以下118．9m，CobscookBay的大部分地区水深较浅，但OuterCobscookBay(简称OuterCB)例外，其水深大于20m；WesternPassage(简称WP)是一条深水道，局÷基金项目：美国能源部项目(DE-EE0000298)；中国海洋可再生能源专项(GHME

7、2010ZCll；GHME2011ZC03；GHME2010ZC08)；国家自然科学基金项目(41276083)资助收稿日期：2013—09—17；修订日期：2013—10—18作者简介：鲍敏(1985一)，女，博士生。E-mail：minba01985@gmail．corn中国海洋大学学报部水深超过70m。模型水平方向上有197681个三角形网格，垂直方向上有15个sigma层。OuterCB与WP是潮流能开发的最佳位置，该海域的网格局地加密至25m。该模型是正压的，仅有潮汐与河流驱动该模型，温度和盐度设置为常数。开边界的潮汐驱动包括1