波浪能资源评估方法范文

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《太阳能学报》2015年第六期

摘要：

以山东半岛为依托对深水简化的波浪能评估方法和Kim简化的评估方法进行对比研究。首先，运用波浪模型SWAN对山东半岛16a的波候进行模拟，并与观测值进行比较，结果拟合良好；其次，运用这两种评估方法对山东半岛波浪资源能进行计算，并与SWAN模型计算的精确解进行比较；最后，选取两个断面和断面上的10个不同水深点进行研究。研究结果表明：两种简化方法计算结果均比精确解大，随着水深的增加，差距逐渐加大，但与精确解的相关性也逐渐变大，整体而言，深水简化方法要优于Kim简化方法。

关键词：

波浪后报；波浪能；评估方法；方法比较

由于能源需求和环境保护等方面的压力，使得人类不得不把目光转向于污染小的新能源资源。在所有新能源中，由于波浪能具有污染小、可再生性强、能量密度大等特点，因此已经成为人们最为关注的新能源之一。波浪能的高效利用离不开高效率的波浪能转换装置和波浪能资源准确的评估。波浪能评估为波浪发电机组的选址、配置及结构布置等方面提供了参考，是开发利用波浪能资源的基础。为了能有效地利用开发波浪能资源，许多学者已对各国海域波浪能资源的分布情况做了评估［1~7］，但目前所采用的主要方法是：将评估区域分为两个区域，即深水区和浅水区。在对深水波浪能进行计算时主要使用的是深水简化方法，此方法是通过将原方程中波群速做深水简化得出的，在此基础上G.Kim等［6］利用能量周期与谱峰周期的关系得到了新的波浪能计算公式。为了解这两种方法计算结果的可靠性，本文以山东半岛为依托，分别运用这两种方法对山东半岛的波浪能资源进行了评估，并与SWAN模型输出的精确解进行比较研究。研究结果表明两种简化方法都能准确地评估出波浪能资源分布情况，但精度有所不同。

1模型理论及参数设定

1.1波浪模型理论第三代波浪模型SWAN主要是基于能量平衡的一种波浪谱模型。在直角坐标系统中，SWAN模型的主导方程可表示。

1.2波浪模型参数设定本次模拟过程中所采用的风场数据是基于WRF模型计算出来的，它的覆盖范围为117°E~131°E、24°N~41°N，空间步长0.1°×0.1°，时间步长3h，时间计算范围为1996-01-01~2011-12-31。整个波浪模拟过程分为两步：首先是以风场为驱动对整个东中国海的波浪进行了模拟，然后再对山东半岛地区进行了嵌套。在对东中国海波浪进行模拟时，计算空间范围为117.00°E~128.01°E，28°N~41°N，空间步长0.056°×0.068°，计算时间步长1h，输出时间步长3h，波浪破碎指数为0.84。对山东半岛进行模拟时，空间计算范围117.50°E~124.01°E，35.00°N~38.51°N，空间步长0.0186°×0.0135°，计算时间步长1h，波浪破碎指数为0.92，波浪场输出时间步长3h。图1显示了山东半岛的水深地形，图1中#1、#2、#3分别代表黄河口、鳌山湾和千里岩3个测站的位置，断面A和断面B也在图中标示出来。波浪模拟过程中，考虑了波浪的折射、绕射、白帽损失、底部摩擦损失、波浪破碎损失、四波非线性相互作用等物理现象，计算所采用的波浪谱为JONSWAP谱，谱峰加强因子为3.3，频谱的最小频率为0.03，最大频率为0.80，并把它们等频率划分为24份，方向谱把360°划分为36份。

1.3波浪能评估方法波浪能可用式（2）计算。

2波浪能评估及方法比较

2.1波浪模型模拟结果验证波浪模拟的准确性直接影响到波浪能评估的质量。为确保波浪模拟的精度，本文对黄河口和鳌山湾和千里岩3个测站处的波高和周期进行了验证。如图2所示，图2a是黄河口测站有效波高和周期观测值与模拟值的比较图；图2b分别是鳌山湾测站观测的有效波高、有效周期与模拟值的比较图；图2c是千里岩测站的观测值与模拟值的比较图。总体而言，观测值与模拟值拟合得较好，不仅变化趋势一致，且最大值也很相近，但局部上稍有差异，这主要是因为水深地形数据和风场数据存在一定误差。

2.2近海波浪能评估方法比较图3显示了在3种波浪能计算方法下山东半岛年平均波浪能密度分布情况。从图3可知，虽然3种方法所计算出的山东半岛年平均波浪能密度分布情况特征很相近，但计算区域的波浪能密度大小仍有一定差异，即两种简化的评估方法计算结果普遍比SWAN直接输出的精确解要大，且这种差异随地区的不同而异。在南黄海，水深大于50m的地区，深水简化评估方法所计算出的年平均波浪能密度要比精确解大2kW/m，Kim简化的方法比精确解大3kW/m；而水深小于40m的地区，深水简化和Kim简化两种评估方法比精确解大1kW/m。在北黄海，深水简化方法要比精确解大1kW/m，而Kim简化方法要比精确解大2kW/m。在渤海，两种简化方法与精确解之间的差距呈由东往西递减的趋势，在黄河口水深约10m处，两种简化方法计算结果比精确解约大0.3kW/m。图4显示了3种评估方法下断面A和断面B的年平均波浪能密度分布情况，从这两个断面可看出两种简化方法所计算的结果与精确解沿水深变化的趋势一致，但简化方法的计算结果与精确解之间的差异随着水深的变大而逐渐增大，在断面B的60m水深处，深水简化方法的计算结果比精确解大1.

1kW/m；而Kim简化方法比精确解大1.9kW/m。为研究两种方法随水深变化的关系，选取断面A水深5、10、15、20m，断面B水深10、20、30、40、50、60m，共10个点做相关性分析，结果如表1所示。从表1可知，两种简化方法所计算的结果与精确解有很强的相关性，且随水深的增加而逐渐增强，但是当水深达到一定深度后，相关性基本趋于定值。同时我们也可从表1中发现Kim简化方法与精确解的相关性始终低于深水简化的方法。

3结论

综上所述，两种评估方法均能准确地描述山东半岛波浪能资源分布情况，但估值普遍偏高，且随着的水深的变大，差距逐渐加大，其中Kim简化方法在南黄海深水处的计算结果要比精确解约大3kW/m，深水简化方法计算结果比精确解约大2kW/m。与此同时，随着水深增加，两种简化方法计算结果与精确解的相关性逐渐增加，深水简化方法的相关性大于Kim简化方法。就两种简化方法而言，深水简化方法要优于Kim简化方法。

作者：范飞 朱志夏 梁丙臣 单位：江苏省交通规划设计院有限股份公司水运中心 中国海洋大学工程学院海洋工程系