陳 超,鮑 敏*,葉 欽,嚴(yán)聿晗,曹振軼,張乾江

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012; 2.自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 3.自然資源部海洋空間資源管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012; 4.浙江省近海海洋工程環(huán)境與生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012; 5.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

0 引言

海洋能指依附在海水中的可再生能源,資源存儲量及開發(fā)前景巨大,其中潮流能作為可預(yù)測性較強(qiáng)的部分,具有顯著的戰(zhàn)略地位。潮流能開發(fā)利用的主要方式是通過渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電,具有成本較低、技術(shù)完善、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。浙江近海海域的強(qiáng)潮特征顯著,潮差大、潮流急,其潮流能資源占全國總量的41.9%,其中舟山海域潮流能資源約占浙江省的54.0%,開發(fā)潛力巨大[3-4]。

早期對舟山海域潮流能資源的評估主要利用預(yù)報(bào)和實(shí)測的潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行[5]。近些年來,研究者應(yīng)用FVCOM、SCHISM、ROMS等海洋模式對舟山海域的水動力場進(jìn)行了模擬,根據(jù)模擬結(jié)果分析了潮流能資源的分布特征、儲量大小及可開發(fā)性[6-11]。潮流能可開發(fā)量的計(jì)算多使用Flux法和Farm法。Flux法綜合考慮了影響潮流能開發(fā)的因素,適合于在大范圍海域的評估;而Farm法根據(jù)渦輪機(jī)的具體類型和排布方式計(jì)算渦輪機(jī)的發(fā)電功率,適合水道內(nèi)部小范圍的潮流能資源評估[12-13]。

本文應(yīng)用FVCOM海洋模式,建立舟山海域高分辨率的潮汐潮流模型,分析潮流能資源分布及儲量,并針對當(dāng)?shù)爻绷魈卣?進(jìn)行潮流能資源的可開發(fā)性分析,進(jìn)一步根據(jù)渦輪機(jī)參數(shù)應(yīng)用Farm法計(jì)算了潮流能資源的可開發(fā)量。

1 數(shù)值模型的構(gòu)建及驗(yàn)證

1.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

FVCOM海洋模式采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格以及σ坐標(biāo)變換,能較好地刻畫該區(qū)域復(fù)雜的岸線和海底地形,適合中國近海潮汐潮流的數(shù)值模擬[14]。模式計(jì)算范圍如圖1a所示,水深數(shù)據(jù)來自于中華人民共和國海事局提供的數(shù)字化海圖,并進(jìn)行了平均海平面校正。計(jì)算區(qū)域內(nèi)共有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 216 360 個(gè),網(wǎng)格單元419 873個(gè),在舟山海域主要水道內(nèi)進(jìn)行了局部加密,加密區(qū)域最高分辨率可達(dá)50 m。開邊界采取水位驅(qū)動,數(shù)據(jù)來自全球潮汐數(shù)據(jù)庫TPXO7。計(jì)算以“冷態(tài)”啟動,即模型中零時(shí)刻所有網(wǎng)格的潮位和流速均為零,時(shí)間步長為2 s。模擬時(shí)間為2017年7月20日 00∶00 至2017年8月31日23∶00,結(jié)果每1小時(shí)保存1次。模式驗(yàn)證點(diǎn)和西堠門水道(L1)、冊子水道(L2)、螺頭水道(L3)、灌門水道(L4)、龜山航門(L5)、桃花港(L6)的空間分布如圖1b所示。

圖1 模式計(jì)算區(qū)域(a)和水道、驗(yàn)證點(diǎn)分布(b)

1.2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

采用2017年8月的實(shí)際觀測資料對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,因?qū)嶋H觀測中的潮位、潮流受到風(fēng)場、徑流等影響,故需先對資料進(jìn)行調(diào)和分析。如表1所示,分潮振幅的絕對誤差均在10 cm以內(nèi),遲角的最大絕對誤差出現(xiàn)在W1站位O1分潮,為24.35°,M2、S2分潮遲角均在20°以內(nèi)。

表1 模型潮位驗(yàn)證

限于篇幅,僅展示大潮期間表層流速的驗(yàn)證結(jié)果(圖2)。從圖中可以看出,模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)中潮流的方向和大小變化具有良好的一致性。平均流速、流向的誤差如表2所示,大、中、小潮期間,S1、S2和S3站位流向的絕對誤差均不超過25°,流速的相對誤差最大為17.2%。綜上所述,該模型的潮汐潮流模擬結(jié)果可靠,可用于進(jìn)行后續(xù)分析。

表2 S1、S2、S3站潮流流向、流速誤差

圖2 大潮期間S1、S2、S3站位表層潮流驗(yàn)證

2 舟山海域潮流能資源蘊(yùn)藏量

能流密度是衡量潮流能資源蘊(yùn)藏量的重要指標(biāo),用P表示[15],計(jì)算公式如下:

(1)

式中:ρ是海水密度,取ρ=1 024 kg/m3,v是潮流的瞬時(shí)速度。

如圖3a所示,舟山海域的平均能流密度大多在0.5～2.0 kW/m2之間,各水道(29.9°N—30.3°N,121.9°E—122.3°E)的平均能流密度超過2.0 kW/m2,舟山島東側(cè)海域(30.0°N—30.2°N,122.3°E—122.5°E)的平均能流密度普遍低于1.0 kW/m2,大部分為0.5～0.9 kW/m2。最大能流密度(圖3b)在舟山島附近為6～15 kW/m2,而西堠門水道、冊子水道、螺頭水道、灌門水道、龜山航門、桃花港6處水道(L1～L6)中最大能流密度超過20 kW/m2,其他海域普遍為5～10 kW/m2。

L1—西堠門水道;L2—冊子水道;L3—螺頭水道;L4—灌門水道;L5—龜山航門;L6—桃花港

3 舟山海域重要水道潮流能資源評估

3.1 水道潮流能可開發(fā)時(shí)長和潮流特征

除了資源蘊(yùn)藏量,潮流能實(shí)際可開發(fā)量還取決于可開發(fā)時(shí)長,該指標(biāo)與渦輪機(jī)的具體參數(shù)相關(guān)。本文中渦輪機(jī)的啟動流速為1.0 m/s、額定流速為2.5 m/s。根據(jù)流速占比統(tǒng)計(jì)方法[16]計(jì)算得到2017年8月6處水道不同流速的占比分布。從圖4可知,6處水道中流速低于1.0 m/s的時(shí)長,即未達(dá)到啟動流速的時(shí)長,均占總評估時(shí)長的20%以下,其中占比最大的為螺頭水道,達(dá)19.09%;流速在1.0～2.5 m/s 的時(shí)長,即達(dá)到渦輪機(jī)啟動流速的時(shí)長,均占總評估時(shí)長的70%以上,其中灌門水道的占比較大,為75.77%;流速高于2.5 m/s的時(shí)長,即達(dá)到額定流速的時(shí)長,均占總評估時(shí)長的6%以上,其中冊子水道的占比最大,達(dá)14.78%。綜合比較可見,在冊子水道中渦輪機(jī)發(fā)電的總時(shí)長和以額定功率發(fā)電的時(shí)長為6條水道之首,表明該水道可供開發(fā)的潮流能資源最多。

圖4 舟山海域6個(gè)重要水道流速的占比分布

對各水道的潮流特征進(jìn)行多角度分析(表3),其中潮流的不對稱性αv和旋轉(zhuǎn)性αθ[6]、潮流漲落期間的流向穩(wěn)定性αf和αe[9]的計(jì)算公式如下:

表3 舟山海域重要水道潮流特性

(2)

αθ=180°-|θe-θf|

(3)

(4)

(5)

式中:vf、ve分別為漲、落潮期間的平均流速,θf、θe分別為漲、落潮期間的潮流主軸方向,Tf、Te分別為漲、落潮持續(xù)時(shí)間,θt是t時(shí)刻的流向,θ0是最大流速所對應(yīng)流向,vt是t時(shí)刻的流速。因漲落潮交替過程中流速的無規(guī)律性會影響潮流整體特征[17],故在計(jì)算時(shí)將轉(zhuǎn)流狀態(tài)(流速為0 m/s)、憩流狀態(tài)(流速小于0.5 m/s)的流速數(shù)據(jù)剔除。

由表3可知,龜山航門的平均流速最大,為2.04 m/s,西堠門水道、螺頭水道、灌門水道、龜山航門、桃花港的最大流速均超過3.0 m/s,冊子水道的平均流速和最大流速相對較小,分別為1.73和2.98 m/s。6處水道內(nèi)的漲、落潮平均流速大小接近潮流平均流速,其中漲潮流速大于落潮流速。漲、落潮流的主軸方向與水道走勢接近。

當(dāng)渦輪機(jī)放置在潮流不對稱性較強(qiáng)的水道中時(shí),除了會導(dǎo)致發(fā)電狀況的不平穩(wěn)、不連續(xù)以外,也會損壞渦輪機(jī)的電機(jī),還會影響周圍海域的水體交換、物質(zhì)輸運(yùn)和能量傳遞,并且會影響沉積物原有的沖淤平衡[18]。研究顯示各水道內(nèi)潮流均具有一定的不對稱性(表3),其中螺頭水道、灌門水道、龜山航門的不對稱性較強(qiáng),潮流漲、落期流速的大小差異明顯,而西堠門水道、冊子水道、桃花港的潮流不對稱性均小于0.1。

潮流的旋轉(zhuǎn)性對渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響也不可忽略[19]。目前工程應(yīng)用中主要使用水平軸渦輪機(jī),葉片在潮流作用下旋轉(zhuǎn),將水流動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電能。潮流的旋轉(zhuǎn)性除了降低渦輪機(jī)發(fā)電效率,還會影響渦輪機(jī)底座的穩(wěn)定性。由表3可知,水道內(nèi)潮流均具有一定旋轉(zhuǎn)性,其中,螺頭水道的潮流旋轉(zhuǎn)性最明顯,達(dá)23.35°。

另外,受地形、風(fēng)場等要素影響,潮流流向會發(fā)生變化。從表3可知,在各水道中,螺頭水道的漲潮流向標(biāo)準(zhǔn)差最大,灌門水道的落潮流向標(biāo)準(zhǔn)差最大,分別為3.6°和3.1°,兩條水道的流向穩(wěn)定系數(shù)較低,表明流向相較于其他水道更加分散。而冊子水道、桃花港的漲、落潮流向穩(wěn)定系數(shù)均達(dá)到0.99,潮流集中于主軸附近,最適宜渦輪機(jī)布置。

綜上所述,西堠門水道、冊子水道和桃花港具備可開發(fā)時(shí)間長、流速大、不對稱性低、旋轉(zhuǎn)性小、流向穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),適宜作為潮流能開發(fā)選址。

3.2 舟山海域重要水道潮流能資源開發(fā)評估

3.2.1 水道內(nèi)部潮流能開發(fā)選址分析

使用有效發(fā)電小時(shí)數(shù)和可利用小時(shí)數(shù)來表征渦輪機(jī)的發(fā)電時(shí)間,前者表示渦輪機(jī)的總發(fā)電時(shí)長,后者表示渦輪機(jī)以額定功率進(jìn)行發(fā)電的時(shí)長[20],具體計(jì)算公式如下:

(6)

(7)

式中:ts表示有效發(fā)電小時(shí)數(shù),tr表示可利用小時(shí)數(shù),v1表示渦輪機(jī)啟動流速,vr表示渦輪機(jī)額定流速,vt表示t時(shí)刻的流速。模擬時(shí)間為2017年8月1日至31日,共31天。

由圖5可以看出,各水道內(nèi)有效發(fā)電小時(shí)數(shù)大部分在400～500 h之間,可利用小時(shí)數(shù)在水道中部最大可達(dá)100 h,兩者空間分布類似。

圖5 西堠門水道、冊子水道、桃花港的有效發(fā)電小時(shí)數(shù)分布(a,b,c)、可利用小時(shí)數(shù)分布(d,e,f)與潮流能發(fā)電站潛在選址分布(g,h,i)

根據(jù)潮流能發(fā)電的有效小時(shí)數(shù)和可以利用小時(shí)數(shù)的空間分布,選擇兩者的高值區(qū)作為潮流能開發(fā)的潛在選址(圖5g～5i)。西堠門水道共有4處潛在選址區(qū),其中D3較D1、D2、D4遠(yuǎn)離主航道,適宜作為潮流能開發(fā)的選址。冊子水道中共有1處潛在選址,該處非航道,適宜作為潮流能開發(fā)選址。桃花港共有2處潛在選址,其中D7較D6可開發(fā)面積更大,可開發(fā)時(shí)長更長,更適合進(jìn)行大規(guī)模潮流能的開發(fā)。綜上分析,西堠門水道、冊子水道和桃花港中潮流能開發(fā)的最佳位置如下:西堠門水道內(nèi)D3處、冊子水道內(nèi)D5處以及桃花港內(nèi)D7處。

3.2.2 水道的潮流能可開發(fā)量

渦輪機(jī)在水道中沿潮流方向交錯多行排列,橫、縱間距分別為渦輪機(jī)葉片長度的2倍和6倍,葉片長度取20 m[21],可開發(fā)的潮流能(Pe)由以下公式計(jì)算得到:

Ad=π×(D2)×0.25

(8)

Pd=Pm×Ad×η

(9)

Pe=Pd×As×N

(10)

式中:Ad為渦輪機(jī)葉片掃過面積;D為葉片長度;Pd為單個(gè)渦輪機(jī)的效率;Pm為平均能流密度;η為渦輪機(jī)組的總效率,本文中取值為0.4;As為潮流能開發(fā)海區(qū)的總面積;N為單位面積內(nèi)放置的渦輪機(jī)個(gè)數(shù)。

西堠門水道的選址(D3)大小為 450 m×1 000 m,可布置56個(gè)渦輪機(jī)(7行×8列);冊子水道的選址(D5)大小為650 m×1 500 m,可布置120個(gè)渦輪機(jī)(10行×12列);桃花島的選址(D7)大小為1 000 m×2 600 m,可布置336個(gè)渦輪機(jī)(16行×21列)。應(yīng)用Farm法進(jìn)行潮流能可開發(fā)量計(jì)算,結(jié)果匯總至表4。

表4 基于Farm法估算的潮流能可開發(fā)量

由表4可知,西堠門水道、冊子水道、桃花港選址處潮流能可開發(fā)量分別為27.53、39.96和130.26 MW。張潔 等[11]認(rèn)為雖然西堠門大橋附近的能流密度最大,但其位于航道,影響通行,不適合作為潮流能開發(fā)的選址。而本文中將該水道能流密度最大的區(qū)域劃分為兩個(gè)區(qū)(圖5g中D2、D3區(qū)),認(rèn)為D3區(qū)受通航影響較小,可進(jìn)行潮流能資源開發(fā)。在可開發(fā)量的計(jì)算方面,張潔 等[11]應(yīng)用Flux法計(jì)算得到西堠門水道選址處的可開發(fā)量為4.5 MW,而本文應(yīng)用Farm法計(jì)算D3區(qū)的潮流能可開發(fā)量為27.53 MW,遠(yuǎn)高于前者。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用FVCOM海洋模式構(gòu)建舟山海域水動力模型,在驗(yàn)證了模型可靠的基礎(chǔ)上,根據(jù)模擬結(jié)果確定了潮流能資源密集的水道,通過對比水道潮流特征及內(nèi)部可開發(fā)性,確定了潮流能開發(fā)的最佳選址,并應(yīng)用Farm法評估資源可開發(fā)量,結(jié)論如下。

1)潮流能資源在西堠門水道、冊子水道、螺頭水道、灌門水道、龜山航門、桃花港6處水道中密集,平均能流密度超過2.0 kW/m2,最大能流密度超過 20 kW/m2,潮流能資源豐富。

2)西堠門水道、冊子水道、桃花港3處水道內(nèi),流速大于1.0 m/s時(shí)長超過80%,潮流不對稱性小于0.1,潮流旋轉(zhuǎn)性小于10°,漲落潮穩(wěn)定系數(shù)均大于0.98,有效發(fā)電小時(shí)數(shù)為400 h以上,可利用小時(shí)數(shù)最高可超100 h,表明這3處水道適宜進(jìn)行潮流能的開發(fā)利用。

3)西堠門水道、冊子水道、桃花港3處水道適宜進(jìn)行潮流能開發(fā),選址處可放置渦輪機(jī)數(shù)量分別為56、120和336個(gè),潮流能可開發(fā)量分別為27.53、39.96和130.26 MW。