波浪能資源評(píng)估方法范文

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《太陽能學(xué)報(bào)》2015年第六期

摘要：

以山東半島為依托對(duì)深水簡(jiǎn)化的波浪能評(píng)估方法和Kim簡(jiǎn)化的評(píng)估方法進(jìn)行對(duì)比研究。首先，運(yùn)用波浪模型SWAN對(duì)山東半島16a的波候進(jìn)行模擬，并與觀測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果擬合良好；其次，運(yùn)用這兩種評(píng)估方法對(duì)山東半島波浪資源能進(jìn)行計(jì)算，并與SWAN模型計(jì)算的精確解進(jìn)行比較；最后，選取兩個(gè)斷面和斷面上的10個(gè)不同水深點(diǎn)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：兩種簡(jiǎn)化方法計(jì)算結(jié)果均比精確解大，隨著水深的增加，差距逐漸加大，但與精確解的相關(guān)性也逐漸變大，整體而言，深水簡(jiǎn)化方法要優(yōu)于Kim簡(jiǎn)化方法。

關(guān)鍵詞：

波浪后報(bào)；波浪能；評(píng)估方法；方法比較

由于能源需求和環(huán)境保護(hù)等方面的壓力，使得人類不得不把目光轉(zhuǎn)向于污染小的新能源資源。在所有新能源中，由于波浪能具有污染小、可再生性強(qiáng)、能量密度大等特點(diǎn)，因此已經(jīng)成為人們最為關(guān)注的新能源之一。波浪能的高效利用離不開高效率的波浪能轉(zhuǎn)換裝置和波浪能資源準(zhǔn)確的評(píng)估。波浪能評(píng)估為波浪發(fā)電機(jī)組的選址、配置及結(jié)構(gòu)布置等方面提供了參考，是開發(fā)利用波浪能資源的基礎(chǔ)。為了能有效地利用開發(fā)波浪能資源，許多學(xué)者已對(duì)各國(guó)海域波浪能資源的分布情況做了評(píng)估［1~7］，但目前所采用的主要方法是：將評(píng)估區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)域，即深水區(qū)和淺水區(qū)。在對(duì)深水波浪能進(jìn)行計(jì)算時(shí)主要使用的是深水簡(jiǎn)化方法，此方法是通過將原方程中波群速做深水簡(jiǎn)化得出的，在此基礎(chǔ)上G.Kim等［6］利用能量周期與譜峰周期的關(guān)系得到了新的波浪能計(jì)算公式。為了解這兩種方法計(jì)算結(jié)果的可靠性，本文以山東半島為依托，分別運(yùn)用這兩種方法對(duì)山東半島的波浪能資源進(jìn)行了評(píng)估，并與SWAN模型輸出的精確解進(jìn)行比較研究。研究結(jié)果表明兩種簡(jiǎn)化方法都能準(zhǔn)確地評(píng)估出波浪能資源分布情況，但精度有所不同。

1模型理論及參數(shù)設(shè)定

1.1波浪模型理論第三代波浪模型SWAN主要是基于能量平衡的一種波浪譜模型。在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，SWAN模型的主導(dǎo)方程可表示。

1.2波浪模型參數(shù)設(shè)定本次模擬過程中所采用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)是基于WRF模型計(jì)算出來的，它的覆蓋范圍為117°E~131°E、24°N~41°N，空間步長(zhǎng)0.1°×0.1°，時(shí)間步長(zhǎng)3h，時(shí)間計(jì)算范圍為1996-01-01~2011-12-31。整個(gè)波浪模擬過程分為兩步：首先是以風(fēng)場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)對(duì)整個(gè)東中國(guó)海的波浪進(jìn)行了模擬，然后再對(duì)山東半島地區(qū)進(jìn)行了嵌套。在對(duì)東中國(guó)海波浪進(jìn)行模擬時(shí)，計(jì)算空間范圍為117.00°E~128.01°E，28°N~41°N，空間步長(zhǎng)0.056°×0.068°，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)1h，輸出時(shí)間步長(zhǎng)3h，波浪破碎指數(shù)為0.84。對(duì)山東半島進(jìn)行模擬時(shí)，空間計(jì)算范圍117.50°E~124.01°E，35.00°N~38.51°N，空間步長(zhǎng)0.0186°×0.0135°，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)1h，波浪破碎指數(shù)為0.92，波浪場(chǎng)輸出時(shí)間步長(zhǎng)3h。圖1顯示了山東半島的水深地形，圖1中#1、#2、#3分別代表黃河口、鰲山灣和千里巖3個(gè)測(cè)站的位置，斷面A和斷面B也在圖中標(biāo)示出來。波浪模擬過程中，考慮了波浪的折射、繞射、白帽損失、底部摩擦損失、波浪破碎損失、四波非線性相互作用等物理現(xiàn)象，計(jì)算所采用的波浪譜為JONSWAP譜，譜峰加強(qiáng)因子為3.3，頻譜的最小頻率為0.03，最大頻率為0.80，并把它們等頻率劃分為24份，方向譜把360°劃分為36份。

1.3波浪能評(píng)估方法波浪能可用式（2）計(jì)算。

2波浪能評(píng)估及方法比較

2.1波浪模型模擬結(jié)果驗(yàn)證波浪模擬的準(zhǔn)確性直接影響到波浪能評(píng)估的質(zhì)量。為確保波浪模擬的精度，本文對(duì)黃河口和鰲山灣和千里巖3個(gè)測(cè)站處的波高和周期進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖2所示，圖2a是黃河口測(cè)站有效波高和周期觀測(cè)值與模擬值的比較圖；圖2b分別是鰲山灣測(cè)站觀測(cè)的有效波高、有效周期與模擬值的比較圖；圖2c是千里巖測(cè)站的觀測(cè)值與模擬值的比較圖。總體而言，觀測(cè)值與模擬值擬合得較好，不僅變化趨勢(shì)一致，且最大值也很相近，但局部上稍有差異，這主要是因?yàn)樗畹匦螖?shù)據(jù)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)存在一定誤差。

2.2近海波浪能評(píng)估方法比較圖3顯示了在3種波浪能計(jì)算方法下山東半島年平均波浪能密度分布情況。從圖3可知，雖然3種方法所計(jì)算出的山東半島年平均波浪能密度分布情況特征很相近，但計(jì)算區(qū)域的波浪能密度大小仍有一定差異，即兩種簡(jiǎn)化的評(píng)估方法計(jì)算結(jié)果普遍比SWAN直接輸出的精確解要大，且這種差異隨地區(qū)的不同而異。在南黃海，水深大于50m的地區(qū)，深水簡(jiǎn)化評(píng)估方法所計(jì)算出的年平均波浪能密度要比精確解大2kW/m，Kim簡(jiǎn)化的方法比精確解大3kW/m；而水深小于40m的地區(qū)，深水簡(jiǎn)化和Kim簡(jiǎn)化兩種評(píng)估方法比精確解大1kW/m。在北黃海，深水簡(jiǎn)化方法要比精確解大1kW/m，而Kim簡(jiǎn)化方法要比精確解大2kW/m。在渤海，兩種簡(jiǎn)化方法與精確解之間的差距呈由東往西遞減的趨勢(shì)，在黃河口水深約10m處，兩種簡(jiǎn)化方法計(jì)算結(jié)果比精確解約大0.3kW/m。圖4顯示了3種評(píng)估方法下斷面A和斷面B的年平均波浪能密度分布情況，從這兩個(gè)斷面可看出兩種簡(jiǎn)化方法所計(jì)算的結(jié)果與精確解沿水深變化的趨勢(shì)一致，但簡(jiǎn)化方法的計(jì)算結(jié)果與精確解之間的差異隨著水深的變大而逐漸增大，在斷面B的60m水深處，深水簡(jiǎn)化方法的計(jì)算結(jié)果比精確解大1.

1kW/m；而Kim簡(jiǎn)化方法比精確解大1.9kW/m。為研究?jī)煞N方法隨水深變化的關(guān)系，選取斷面A水深5、10、15、20m，斷面B水深10、20、30、40、50、60m，共10個(gè)點(diǎn)做相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。從表1可知，兩種簡(jiǎn)化方法所計(jì)算的結(jié)果與精確解有很強(qiáng)的相關(guān)性，且隨水深的增加而逐漸增強(qiáng)，但是當(dāng)水深達(dá)到一定深度后，相關(guān)性基本趨于定值。同時(shí)我們也可從表1中發(fā)現(xiàn)Kim簡(jiǎn)化方法與精確解的相關(guān)性始終低于深水簡(jiǎn)化的方法。

3結(jié)論

綜上所述，兩種評(píng)估方法均能準(zhǔn)確地描述山東半島波浪能資源分布情況，但估值普遍偏高，且隨著的水深的變大，差距逐漸加大，其中Kim簡(jiǎn)化方法在南黃海深水處的計(jì)算結(jié)果要比精確解約大3kW/m，深水簡(jiǎn)化方法計(jì)算結(jié)果比精確解約大2kW/m。與此同時(shí)，隨著水深增加，兩種簡(jiǎn)化方法計(jì)算結(jié)果與精確解的相關(guān)性逐漸增加，深水簡(jiǎn)化方法的相關(guān)性大于Kim簡(jiǎn)化方法。就兩種簡(jiǎn)化方法而言，深水簡(jiǎn)化方法要優(yōu)于Kim簡(jiǎn)化方法。

作者：范飛 朱志夏 梁丙臣 單位：江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限股份公司水運(yùn)中心 中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院海洋工程系