1、本科毕业论文（20 届）龟山航道海洋能利用研究所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录中文摘要 .I英文摘要 .II引言 .11 材料与方法 .31.1 研究区域概况 .31.1.1 地理特征 .31.1.2 水文特征及海洋能概况 .31.1.2.1 温度与温差能 .31.1.2.2 盐度与盐差能 .41.1.2.3 潮流与潮流能 .41.2 现场数据调查 .41.2.1 调查时间与地点 .41.2.2 监测仪器 .51.2.2.1 海流计 .51.2.2.2 海流计工作原理及操作方法 .51.2.3 监测方法 .51.3 数据处理方法 .62 结
2、果 .72.1 龟山海域数值网格 .72.2 龟山海域水深分布 .72.3 潮 流 场 的 数 值 模 拟 图 .82.4 监 测 点 流 速 情 况 .153 讨论与分析 .163.1 潮 流 场 的 数 学 模 拟 .163.2 监 测 点 流 速 分 析 .163.3 监 测 点 潮 流 分 析 .173.4 监 测 点 能 量 分 析 .173.5 关 于 流 速 变 大 的 探 讨 .194 结论 .215 展望 .225.1 潮 流 发 电 .225.1.1 发 电 装 置 .225.1.2 发 电 能 量 .225.1.3 电 站 选 址 .225.2 潮 流 助 航 .22总
3、结 .22参考文献 .23翻译原文 .24文献翻译 .28致 谢 .34I龟山航道海洋能利用研究摘要 海洋能是海水运动过程中产生的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、温差能、盐差能等。本文重点介绍海流能。海流能是其中一种可再生的自然能源，其总储藏量大，且不会对环境造成三废污染。舟山海域龟山航道海流最大流速达到 4.0m/s 以上。本文运用了 Valeport 106 海流计监测的海流数据，利用 Delft-3D 数字模拟技术模拟龟山航道海流，并结合海洋历史水文资料进行分析。结果表明：（1）龟山航道海域水深比附近海域要深，达到 60-80 米。 （2）龟山航道属于正规半日潮，每天
4、涨潮落潮各两次。在潮流运动中，海流速度可以达到 3.5m/s 以上。 （3）龟山航道具有很强的海流能，平均功率密度达到 150kW/m2以上，极具开发利用价值。 （4）龟山航道潮流流速大的原因主要是由于水道截面积急剧变化，潮波势能向动能转化的结果。另外，本文还对如何利用龟山航道的海流能展开了初步探讨。关键词 龟山航道；海流能；数值模拟IIStudy on Oceanic Energy of Gui Shan WaterwayAbstract Oceanic Energy is a renewable energy ,which generates in the process of Seawa
5、ter movement.Mainly includes tidal energy,waves energy,trend energy,current energy, temperature energy,slat energy and so on .This paper introduces the current energy mainly. Current energy is one of renewable natural energy , which has a huge total reserve and can not cause environmental pollution.
6、 The maximum velocity of ZhouShan GuiShan waterway current can reach up to 4.0 m/s . This paper uses the Model-Valeport 106 current meter to monitor current, uses the Delft-3D digital simulation model to simulate GuiShan waterway tidal current, analyses GuiShan waterway tidal current combined with t
7、he marine history hydrologic data. Results show : (1) Depth of GuiShan Waters is deeper than nearby , which reaches 60 to 80 meters . (2) GuiShan Waters belongs to formal semi-diurnal tides , which has rising tide and falling tide twice . In tidal movement, current speed can reach more than 3.5 m/s
8、. (3) GuiShan Waters has huge current energy , average power flux can reach above 150 kW/m2 , which has a big development and utilization value . (4) The reason of GuiShan Waters has huge current energy is that the change of waterway cross-sectional area and potential energy turn into kinetic energy
9、 . In addition, this paper also analyzes how to utilize the current energy of GuiShan Waters.Key words GuiShan Waterway; Current energy; Numerical simulation1引言在陆地矿物燃料日趋枯竭、环境污染日益严重的今天，开发可再生能源已然成为人类文明得以持续发展的迫切需要。我国自 2004 年以来开展 908 专项“近海海洋综合调查与评价”专项，其中包括“近海海洋可再生能源调查与研究” 、 “海洋可再生能源开发与利用前景评价”和“近海岛屿综合开发利
10、用示范试验研究”等，这些对了解我国海洋能的发展现状, 发现我国在海洋能研究与开发利用方面存在的问题，如何积极实施海洋开发战略，促进海洋能源的开发与利用都具有非常重要的现实意义。为了满足人类对于能源越来越大的需求, 世界各国都在努力使能源的结构从原来的单一化向多样化新能源过渡。特别是在 1992 年世界环境与发展大会后，许多国家特别是工业发达国家均已积极行动起来，制定新能源发展规划, 采取有力措施加大投入发展新能源技术。海洋能是海水运动过程中产生的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、温差能、盐差能等。潮汐能、潮流能和海流能来源于月球、太阳和其他星球的引力，其他海洋能均来源于太阳能
11、。海洋空间里的风力和太阳能、在海洋一定范围内的生物能也都属于广义的海洋能。据世界能源委员会统计, 各种海洋能的蕴藏量是非常巨大的，据估计总海洋能达到 780亿 kW，其中波浪能 700 亿 kW，潮汐能 30 亿 kW，温差能 20 亿 kW，海流能 10 亿 kW，盐差能 10亿 kW。而沿海地带可用于开发的波浪能就有 20 亿 kW, 沿岸和近海区的潮汐能也有 17 亿 kW。这些海洋能是取之不尽、用之不竭的可再生能源, 而且这些能源的开发利用也不会或很少带来环境污染, 又不占用宝贵的陆地空间, 还可以开展综合利用。因此, 海洋能是人类未来能源的希望，许多国家已经将海洋能列入发展规划，采取
12、各种有力措施加大发展技术。潮汐、潮流、海流、波浪、温差等可再生能源，具有储量丰富、地理位置分布广泛、相对其他自然能源的能量密度高等特点，积极促进海洋能源的开发与利用具有非常显著的优点。通过各类文献了解到，国外在潮汐能和波浪能的利用研究方面成果显著；我国在这一方面也已有了一定的基础，我国已建成了 7 座潮汐能发电站和 1 座潮洪发电站, 总装机容量达到 11MW, 其中江厦潮汐能发电站装机容量 3200kW , 居世界第三位 1，另外我国在波能发电研究方面起步较晚,但进展较快。中国是世界上海流能量资源密度最高的国家之一，特别是浙江舟山群岛的金塘水道、龟山水道、西候门水道等都是全国潮流能能量密度最
13、高的地区，平均功率密度达到 20-30kW/m26，于是发展海流能具有良好的资源优势。目前，选择舟山龟山航道的海流进行规律研究，了解龟山海域地势地形，掌握龟山航道海流流速、流向等的特点，评估龟山航道海流能能量情况，从而根据海流能发电的根本原理建设百干瓦级的示范装置，解决机组的水下安装、维护和海洋环境中的生存问题。海流能和风能一样，可以发展“机群” ，以一定的单机容量发展标准化设备，从而达到工业化生产以降低成本的目的。目前国内外学者对海流的研究主要采用数值模拟、定点监测分析方法、实验室模型试验、海洋水文资料分析等研究方法来进行研究。本文运用 Delft-3D 数字模拟技术模拟龟山航道海流，2对龟
14、山航道海流流向、流速和能量进行探讨，并结合海洋历史水文资料分析得出一些初步结论。31 材料与方法1.1 研究区域概况1.1.1 地理特征官山位于岱山与秀山两岛之间，该岛岛形如龟，原称龟山。因龟字太俗，取该岛与岱山高亭镇隔江相望之意，改名观山，后来又写作官山。龟山航道（图 1）即位于官山和秀山之间的狭长海域，呈东西走向，是舟山群岛著名的急流航门，航门南侧有网仓礁，航道最窄处位于秀山岛北侧网仓礁与官山之间。龟山航道官山以西水深多为 30 至 60m，海床起伏不大，底质主要为裸露的老沉积层，少有砂砾等松散沉积物覆盖；龟山航道官山以东水深一般为 30 至 70m，局部达 110m，海床起伏变化大，局部
15、高差大于 50m，底质以裸露的老沉积层和基岩为主，局部有砂砾等松散碎屑物散布其间 3。图 1 龟山航道示意图Fig.1 Schematic view of GuiShan Waterway1.1.2 水文特征及海洋能概况1.1.2.1 温度与温差能官山与舟山群岛一样，属于北亚热带南缘海洋性季风气候区。龟山航道海域表层多年平均水温在 17至 19之间，表层水温月平均最高出现在 8 月，最低出现在 2 月。温差能是指蕴含在表层海水和深层海水之间水温差的热能。海水温差发电技术，是以海洋受太阳能加热的表层海水（25-28）作高温热源，而以 500-1000m 深处的海水（4-7）作低温热源，用热机组成
16、的热力循环海洋温差能系统进行发电的技术；由于龟山航道水深（图 5）平均在 60m 左右，温差能的蕴含量极低，不具备开发利用价值。41.1.2.2 盐度与盐差能龟山航道海域盐度的变化和分布决定于以长江、钱塘江等的陆地径流为主形成的沿岸低盐水和以台湾暖流为主的外海高盐水的盛衰强弱。盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能。许多科学家经过对盐差能的研究表明，其他形式的海洋能比盐差能更值得研究开发，另外龟山航道未处于河海交汇处，盐度梯度也不是很明显，盐差能蕴含量不高，故不做深入研究。1.1.2.3 潮流与潮流能东中国海的潮波主要是太平洋潮波经台湾和九洲之间的水道传入的协振潮,
17、 由天体引潮力直接产生的强迫潮很小 13。来自西北太平洋的潮波传经琉球群岛岛间的水道时, 均以几乎平行的行波形式进入东中国海,其大部分经东海传向黄海,小部分沿西北偏西方向进入浙江近海。由于浙江近海海域面积较小, 故本区潮振动主要为太平洋潮波的协振动 10。潮流途径舟山海域的各水道时, 流速陡然增大, 在科氏力影响下最大涨潮流速偏北岸,最大落潮流速近南岸 9。受正规半日潮作用, 每日涨潮落潮各两次，潮差中等到小, 潮流速强劲 4。潮汐能资源比较丰富，龟山航道蕴藏的潮流能量，相当于一个长江三峡电站拥有的能量，国家 863 计划“70kW 潮流能电站”就建在龟山航道上。据岱山新闻网 2010 年 1
18、0 月 13 日公布，近年将在龟山航道开建150kW 潮流能电站，潮流能电站建成后，年发电量将达 65 万 kW。1.2 数据调查1.2.1 调查时间与地点图 2 监测地点Fig.2 Monitoring Site5监测时间为 2010 年 1 月 10 日 0 时到 12 时，监测地点（1#、2#、3#）如图 2 所示，其中 1#监测点、2#监测点和 3#监测点都位于龟山航道内,海图及监测数据由浙江海洋学院海洋科学学院张旭锋老师提供。1.2.2 监测仪器1.2.2.1 海流计数据调查时海流计采用Valeport 106海流计（图3） ，记录参数为时间（月、日、时、分） 、深度、流速及流向（表
19、1） ，Valeport 106海流计是一套轻便型螺旋桨式海流计，用于实时测量或中短期固定自动观测测量。图3 Valeport 106海流计Fig.3 Valeport 106 Current meter表 1 Valeport 106 海流计传感器信息Table.1 The Sensors of Valeport 106 Current meter测量参数 流速 流向 温度 压力传感器类型 轻便坚固苯乙烯材料螺旋桨磁通量罗经 热敏电阻 压电传感器尺寸 直径 25mm - - -量程 0.03-5m/s 0-360 -5 to 35C 50, 100, 200 or 500 dBar精度 1.
20、5% 测量值，在流速超过 0.15m/s 时0.004m/s ，在流速低于 0.15m/s 时 2.5 0.2C 0.2%测程分辨率 - 0.5 0.01C 0.025% 测程1.2.2.2 海流计工作原理及操作方法Valeport 106海流计是一种电磁海流计，通过串行接口和计算机相连，所有操作都是由计算机来控制实现的。由于测试仪器内部装有时钟，所以可以简单地进行起始时间和项目的设定及观测参数的选择。做好仪器使用前准备后，将仪器放到待测海流的深度，仪器会每隔5分钟自动记录海流流速、流向，并保存在其内存中。观测完毕后数据传送也同样非常简单，起始时间和标定系数等数据的自动传送解决了数据管理、数据传错等繁琐的问题，大大缩短了数据处理
