潮流能量的提取及對(duì)其流速的影響?

鮑 敏， 鮑獻(xiàn)文

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院, 山東 青島 266100)

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潮流能量的提取及對(duì)其流速的影響?

鮑 敏， 鮑獻(xiàn)文

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院, 山東 青島 266100)

本文在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的Quoddy Region海域三維潮流數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，植入了提取潮流能的數(shù)值計(jì)算模塊。確定了Western Passage在3種渦輪機(jī)布設(shè)方式下能夠提取的能量以及提取能量的效率，其中采取3排渦輪機(jī)交叉布設(shè)的方式時(shí)，1個(gè)大小潮時(shí)間內(nèi)提取的能量最高，可達(dá)1148.1MWh，提取效率為4.57%，遠(yuǎn)高于另外2種方式。在單排渦輪機(jī)布設(shè)的實(shí)驗(yàn)中(實(shí)驗(yàn)一)，通過(guò)改變速度衰減系數(shù)，得到了可提取能量隨速度衰減系數(shù)的變化曲線，該曲線與前人在理論分析時(shí)得到的曲線類似。同時(shí)本文還分析了提取潮流能給周圍流場(chǎng)帶來(lái)的影響。

潮流能； 提?。?影響； 模型； 曲線

潮流能是可再生能源的重要組成部分，具有很大的發(fā)電潛力。對(duì)潮流能可用資源的評(píng)估是當(dāng)前潮流能開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。在設(shè)置潮流能發(fā)電站前，需要首先評(píng)估渦輪機(jī)陣列能夠提取的能量及提取能量的效率。

Lanchester[1]和Betz[2]提出最大可供提取的能量是未受干擾時(shí)潮流能蘊(yùn)藏量的59%。然而從潮流中提取能量的過(guò)程通過(guò)增強(qiáng)阻力和減慢水流的方式對(duì)潮流產(chǎn)生影響，從而反過(guò)來(lái)限制了可供提取的潮流能?？紤]潮流通過(guò)渦輪機(jī)之后流速會(huì)產(chǎn)生下降，Garrett和Cummins[3]認(rèn)為，最大可供提取的能量是未受干擾時(shí)潮流能儲(chǔ)量的38%，此時(shí)通過(guò)渦輪機(jī)之后的流速是未受干擾時(shí)流速的58%。Garrett和Cummins[4]認(rèn)為，最大可供提取的能量隨著阻塞比(渦輪機(jī)面積與斷面面積之比)的增加而減小。

前人的研究都忽略了潮流通道中地形與剪切流所引起的復(fù)雜性。此外，提取能量所帶來(lái)的影響不僅僅局限于渦輪機(jī)周圍，對(duì)上下游乃至更遠(yuǎn)的地方都會(huì)造成影響[5-6]，會(huì)改變進(jìn)入水道中的水流(比如說(shuō)，很多前人研究中所謂的未受干擾時(shí)的流量或流速)。因此在真實(shí)海灣中評(píng)估可供提取的潮流能是非常有必要的，且渦輪機(jī)裝置也可能會(huì)對(duì)局地的生態(tài)系統(tǒng)造成影響[7-8]。

海洋數(shù)值模型是在海灣、潮流通道尺度上模擬水流的時(shí)空分布的有力工具。為了能模擬提取能量產(chǎn)生的影響，將渦輪機(jī)的作用視為阻力做功或者將提取能量的過(guò)程視為局地能量損耗的辦法經(jīng)常被應(yīng)用于數(shù)值模型中[5-6，9-11]。但是幾乎所有的方法都沒(méi)有考慮渦輪機(jī)之間的相互作用，而是將渦輪機(jī)陣列視為一個(gè)整體，且存在諸多造成物理意義不清晰的假設(shè)。

本文中關(guān)注的研究區(qū)域是美國(guó)境內(nèi)的Cobscook Bay和美國(guó)與加拿大共享的Passamaquoddy Bay(見(jiàn)圖1)，這2個(gè)海灣及附近海域通常簡(jiǎn)稱為Quoddy Region，處于緬因?yàn)车臇|部，芬迪灣的灣口位置。該海域是緬因州進(jìn)行提取潮流能試驗(yàn)的首選區(qū)域。文獻(xiàn) [12]中建立了Quoddy Region的三維潮流數(shù)值模型，本文中實(shí)現(xiàn)了潮流能在海洋動(dòng)力模型中的提取。本文中采取速度躍變法是在渦輪機(jī)所處的單個(gè)網(wǎng)格上減小流速。模型在開(kāi)發(fā)潮流能之處進(jìn)行了加密處理，分辨率可達(dá)25m，近似真實(shí)的渦輪機(jī)的尺寸，因此可以采用逐點(diǎn)的方法來(lái)模擬提取潮流能時(shí)單個(gè)渦輪機(jī)的尾流效應(yīng)。模型的結(jié)果可以確定Quoddy Region潮流能密度高值區(qū)所在的位置,得到不同渦輪機(jī)陣列下所能提取的能量，更重要的是可以模擬提取潮流能所產(chǎn)生流場(chǎng)的變化。

1 潮流模型概述

有限體積近海海洋模型(FVCOM)被用于建立Quoddy Region的潮流模型以及運(yùn)行能量提取的實(shí)驗(yàn)。模型的水深范圍是海平面以上2.8m至海平面以下118.9m，Cobscook Bay的大部分地區(qū)水深較淺，但Outer Cobscook Bay(簡(jiǎn)稱Outer CB)例外，其水深大于20m；Western Passage(簡(jiǎn)稱WP)是一條深水道，局部水深超過(guò)70m。模型水平方向上有197681個(gè)三角形網(wǎng)格，垂直方向上有15個(gè)sigma層。Outer CB與WP是潮流能開(kāi)發(fā)的最佳位置，該海域的網(wǎng)格局地加密至25m。該模型是正壓的，僅有潮汐與河流驅(qū)動(dòng)該模型，溫度和鹽度設(shè)置為常數(shù)。開(kāi)邊界的潮汐驅(qū)動(dòng)包括10個(gè)分潮，M2、N2、S2、K2、L2、M4、NU2、2NU2、O1和K1。模型的運(yùn)行時(shí)間是2004年7月1日00:00～7月31日00:00。

從表1可以看出，M2是該海域的主要分潮，其模擬與觀測(cè)的絕對(duì)誤差為4.31cm，相對(duì)誤差為1.63%；S2分潮的絕對(duì)誤差是1.23cm，相對(duì)誤差為4.67%。4個(gè)主要分潮的遲角誤差均小于3°。從圖2(a)可以看出，模擬和觀測(cè)的潮位曲線擬合的非常好。觀測(cè)和模擬的潮流比較如圖2(b)、2(c)和表2所示。潮流是往復(fù)流，漲潮流的角度約為300°，落潮流的角度約為120°。M2分潮長(zhǎng)軸絕對(duì)誤差最大，為16.82cm/s，相對(duì)誤差為12.8%；M2、S2分潮潮流橢圓的遲角誤差均小于2°，K1的誤差最大，為20°。潮流的模擬不如水位，但依然能反應(yīng)該海域潮流的主要特征，特別是模型很好的抓住了該海域渦旋較多的特性。該海域的航拍圖證實(shí)了渦旋的大量存在，在潮流上表現(xiàn)為流向的急劇變化，模式模擬出了急劇變化的特性，但變化的時(shí)間點(diǎn)并不與觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)完全重合，這主要是因?yàn)槿绱诵〕叨鹊臏u旋并不穩(wěn)定，受外界干擾大，而模型并不能完全再現(xiàn)觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)的環(huán)境特征?？傮w來(lái)說(shuō)，該模型能夠再現(xiàn)該海域的潮汐潮流特征，是該海域可靠的潮汐潮流模型。

(位于芬迪灣的灣口，緬因?yàn)车臇|部(如紅框所示)。The region is located in the eastern Gulf of Maine near the mouth of the Bay of Fundy (see the red box in the inset).)

圖1(a) Quoddy region的地理位置圖
Fig.1(a) A map of the Quoddy region

(對(duì)Outer CB和WP區(qū)域網(wǎng)絡(luò)加密至25m(黑色框)。 The mesh is with locally refined resolution of ～25m in the outer Cobscook Bay and the Western Passage (the black box).)

圖1(b) Quoddy region水深(顏色填充)及網(wǎng)格分布圖Fig.1(b) Bathymetry (color) and mesh for the Quoddy regional model

圖2 模型(紅色)與觀測(cè)(黑色)水位(a)，潮流速度(b)和方向(c)的對(duì)比Fig.2 Comparisons between the modeled (red) and observed (black) water elevation (a), tidal current speed (b) and direction (c)

表2 CB錨系站位(圖1藍(lán)點(diǎn)所示)O1, K1, M2 和 S2分潮長(zhǎng)軸、短軸、橢圓方向及遲角的對(duì)比

Note： ①Obs； ②Model

3 潮流渦輪機(jī)的分布及參數(shù)化方法簡(jiǎn)介

潮流渦輪機(jī)陣列被布設(shè)在Western Passage中Kendall Head(KH)附近(見(jiàn)圖3)，該處岸線突出形成天然導(dǎo)管使潮流能量集中。將渦輪機(jī)均勻的放置在水道斷面上，數(shù)值模擬中不針對(duì)特定的渦輪機(jī)及支撐結(jié)構(gòu)，渦輪機(jī)被放置在第7、8及9 sigma層上。

本文通過(guò)設(shè)置3個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究潮流渦輪機(jī)的布設(shè)方式對(duì)單個(gè)渦輪機(jī)及渦輪機(jī)陣列的發(fā)電效率的影響。實(shí)驗(yàn)1是在斷面1上布設(shè)10個(gè)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)之間的間隔為100m，相當(dāng)于5個(gè)渦輪機(jī)的水平尺寸；實(shí)驗(yàn)2是在實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上，再在斷面2上布設(shè)10個(gè)渦輪機(jī)，2個(gè)斷面之間的間距為160m，渦輪機(jī)之間間距也為100m；實(shí)驗(yàn)3是在實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上，在斷面3上交錯(cuò)布設(shè)9個(gè)渦輪機(jī)，斷面3距離前后2個(gè)斷面均為80m(見(jiàn)圖3)。上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)的流速衰減系數(shù)均為0.5，即水流通過(guò)每臺(tái)渦輪機(jī)之后，流速減為通過(guò)之前流速的一半。為了能夠評(píng)估提取能量的效率隨流速衰減系數(shù)的變化規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，增加量了流速衰減系數(shù)為0.4、0.6、0.7、0.8、0.9的實(shí)驗(yàn)。

渦輪機(jī)通過(guò)提取潮流中的機(jī)械能產(chǎn)生能量，對(duì)水動(dòng)力的局地影響可以有多種表達(dá)方式。有學(xué)者根據(jù)牛頓第三定律在動(dòng)量方程中加入渦輪機(jī)對(duì)潮流產(chǎn)生的阻力[6，9，12]，忽略潮流對(duì)渦輪機(jī)裝置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)、抬升的力(該力會(huì)等值反向的作用在潮流上)。

(實(shí)驗(yàn)1的渦輪機(jī)如斷面1所示，實(shí)驗(yàn)2的渦輪機(jī)如斷面1、2所示，實(shí)驗(yàn)3的渦輪機(jī)如斷面1、2、3所示；渦輪機(jī)之間的間隔約為25m，每排渦輪機(jī)之間的間距約為80m；藍(lán)色的直線分別表示橫穿水道的斷面和沿著水道的斷面。 In model case 1，turbines are located in seetion 1，while in seetion 1 and 2 when case 2， and all three sections in case 3. The average distance is ～ 80 m between rows and ～ 25 m between turbines in the same row; the blue lines indicate the across- and along-the-stream sections where changes to the flow speed induced by the turbines.)

圖3 潮流渦輪機(jī)分布圖
Fig.3 Schematic of turbine arrangements

本文中采用速度躍變法類似于半滲透的固體邊界。對(duì)于固體邊界來(lái)說(shuō)，沒(méi)有任何潮流能夠穿越渦輪機(jī)，潮流將會(huì)100%流向周圍的其他網(wǎng)格上。而對(duì)于渦輪機(jī)來(lái)說(shuō)，由于渦輪機(jī)的阻礙作用，只有部分潮流可以通過(guò)渦輪機(jī)斷面。采用這種方法需要驗(yàn)證質(zhì)量守恒。在文獻(xiàn)[3]中對(duì)質(zhì)量守恒進(jìn)行了詳細(xì)的分析，表明采用速度躍變法時(shí)，對(duì)質(zhì)量守恒的影響可以忽略不計(jì)。

渦輪機(jī)陣列提取的能量EE可以用式(1)來(lái)表示：

(1)

其中：V1(k,m,n)是能量被提取之前的瞬時(shí)速度；V2(k,m,n)是能量被提取之后的瞬時(shí)速度；M是渦輪機(jī)數(shù)量；volume(k,m,n)是水體體積；t= 1s；N= 1292400，是一個(gè)大小潮時(shí)間段(包括一 個(gè)大潮和一個(gè)小潮)內(nèi)的總時(shí)間數(shù)；β是一個(gè)與最低工作流速相關(guān)的階梯函數(shù)，本文中，最低工作流速設(shè)置為1m/s,如果V1≥1m/s，則β=1，反之則β=0。事實(shí)上當(dāng)流速小于最低工作流速時(shí)，失速的渦輪機(jī)由于慣性的作用還會(huì)阻擋部分水流，雖然比例很小。

4 渦輪機(jī)提取的能量及效率

渦輪機(jī)的效率是EE與Etotal的比值，Etotal是控制實(shí)驗(yàn)中，相同斷面上的總能量。表3是3個(gè)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)大小潮時(shí)間段內(nèi)提取的能量及效率，表4是不同實(shí)驗(yàn)下各個(gè)斷面所能提取的能量及效率。在一個(gè)大小潮時(shí)間段內(nèi)，控制實(shí)驗(yàn)中斷面1、斷面2與斷面3蘊(yùn)藏的能量分別是7.8、8.7和8.5GWh。實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2與實(shí)驗(yàn)3在一個(gè)潮周期內(nèi)提取的總能量分別為308.2、652.7和1148.1MWh，效率分別是3.93%、3.94%和4.57%。斷面1上提取能量的效率從實(shí)驗(yàn)1的3.93%降到實(shí)驗(yàn)2的3.01%，最后降至實(shí)驗(yàn)3的2.88%，表明了每個(gè)斷面上渦輪機(jī)相互影響對(duì)能量提取產(chǎn)生負(fù)作用。斷面3的能量從4.77%略微增加至4.89%，斷面2的能量最高，可以推測(cè)如果沒(méi)有斷面1與斷面3的影響，斷面2上的能量將會(huì)更高。同時(shí)也可以進(jìn)一步看出，岸線變化形成的天然導(dǎo)管集中了潮流能量，即使僅在斷面2上布設(shè)9個(gè)渦輪機(jī)，提取的總能量及效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他斷面上的渦輪機(jī)。

Garrett和Cummins描述了單個(gè)渦輪機(jī)在均勻水道中的效率與速度變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)1在WP中布設(shè)多個(gè)渦輪機(jī)時(shí)，通過(guò)改變渦輪機(jī)的流速衰減系數(shù)，可以得到類似的曲線。圖4指出了渦輪機(jī)陣列提取能量的效率隨著流速衰減系數(shù)的變化規(guī)律。當(dāng)通過(guò)渦輪機(jī)之后的水流流速減為原來(lái)的60%時(shí)，提取能量的效率達(dá)到最大值。

圖4 在實(shí)驗(yàn)1的渦輪機(jī)布設(shè)情況下，提取能量的效率隨速度衰減系數(shù)變化曲線

實(shí)驗(yàn)1Case1實(shí)驗(yàn)2Case2實(shí)驗(yàn)3Case3被提取的能量Extractedenergy/MWh308.2652.71148.1被提取的能量/斷面蘊(yùn)藏的能量/%ExtractedEnergy/Basekineticenergyatthecrosssections3.933.944.57

表4 不同實(shí)驗(yàn)下各個(gè)斷面提取能量的功率及效率Table 4 Power and efficiency of extracting energy across different sections in different cases

Note： ①Power；②Efficiency

5 提取潮流能對(duì)流速的影響

不同實(shí)驗(yàn)中渦輪機(jī)提取能量的改變可以用潮流流速的改變來(lái)解釋。圖5是在漲急時(shí)刻或落急時(shí)刻實(shí)驗(yàn)1～3中的流速與控制實(shí)驗(yàn)相對(duì)流速的比值。大多數(shù)的渦輪機(jī)都會(huì)在下游位置形成尾流。在實(shí)驗(yàn)1(見(jiàn)圖5(a)，(b))中單個(gè)渦輪機(jī)的尾流清晰可辨，落急時(shí)刻的尾流流速比值為0.9和0.8的等值線可以分別延長(zhǎng)至650和160m。WP斷面上西側(cè)及中間的渦輪機(jī)產(chǎn)生的尾流較長(zhǎng)，表明潮流能密度較高。在所有試驗(yàn)中，漲潮時(shí)，岸線突出的KH都會(huì)導(dǎo)致巨大的氣旋式漩渦，把單個(gè)的渦輪機(jī)尾流壓縮到水道的中間，使得對(duì)渦輪機(jī)流速即時(shí)影響效應(yīng)延伸至下游1000多米。此外由于漲潮流大于落潮流，使得漲潮時(shí)尾流的影響更強(qiáng)更廣。當(dāng)更多的渦輪機(jī)被布設(shè)在WP斷面上時(shí)，一些渦輪機(jī)的尾流相互疊加，尾流的影響作用加強(qiáng)，影響范圍更廣。

MoS2納米微球具有特殊的球狀結(jié)構(gòu)，在潤(rùn)滑介質(zhì)中易于滾動(dòng)分散，因此被大量應(yīng)用于潤(rùn)滑添加劑。劉敏等[21]將直徑為150 nm左右的MoS2納米微球加入到玉米油中，并對(duì)其潤(rùn)滑性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，MoS2納米微球相較于層狀的MoS2表現(xiàn)出更為優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

((a)、(c)與(e)為漲急時(shí)刻，(b)、(d)與(f)為落急時(shí)刻。(a),(c) and (e) near the peak flood,while (b),(d) and (f) are near the peak ebb.)圖5 實(shí)驗(yàn)1(a)和(b)、實(shí)驗(yàn)2(c)和(d)及實(shí)驗(yàn)3(e)和(f)的潮流流速與控制實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻潮流流速的比值

漲潮時(shí)(見(jiàn)圖5(c))斷面1上的渦輪機(jī)處于斷面3上渦輪機(jī)的尾流影響范圍內(nèi)，因此在實(shí)驗(yàn)2中，斷面1上的渦輪機(jī)效率產(chǎn)生明顯的下降，從3.93%下降到3.01%。然而實(shí)驗(yàn)2的整體效率上升到3.94%，這是因?yàn)閿嗝?與斷面1上的渦輪機(jī)相比，其位置處于潮流能密度較高的地方，在兩排渦輪機(jī)之間有相互影響的情況下，斷面3上10個(gè)渦輪機(jī)提取能量的效率依然可以達(dá)到4.77%?？上攵缛魶](méi)有斷面1上渦輪機(jī)的影響，斷面3上渦輪機(jī)提取能量的效率將會(huì)更高。從實(shí)驗(yàn)2～3，雖然每排渦輪機(jī)之間的間距減半了，但是渦輪機(jī)陣列整體能量提取效率提高了0.63%。部分原因是由于地形形成的自然導(dǎo)管作用使得斷面2上的潮流能特別集中，渦輪機(jī)提取能量特別多，即便比其他斷面上少一個(gè)渦輪機(jī)，并且受到其他斷面的影響，斷面2上的渦輪機(jī)效率依然可以達(dá)到5.81%。另一個(gè)重要的原因是，斷面2上的渦輪機(jī)采用交錯(cuò)布設(shè)的方式，使得該斷面上的渦輪機(jī)處于另兩排渦輪機(jī)尾流之間的空隙中，不會(huì)直接受到尾流的強(qiáng)影響，而斷面3上的渦輪形成的尾流也不會(huì)對(duì)另外兩排渦輪機(jī)產(chǎn)生直接的影響(見(jiàn)圖5(e)，(f))。

速度的減小同時(shí)也產(chǎn)生在渦輪機(jī)上游的位置，上游更遠(yuǎn)的地方水道中間的流速亦會(huì)減小，減小的水流由通道兩側(cè)水流流速的增加得到補(bǔ)償。水流流速的增加在水道東側(cè)更為明顯，在控制實(shí)驗(yàn)中該處水流也較弱。

流速的改變不僅發(fā)生在水平方向上渦輪機(jī)之間，同時(shí)也發(fā)生在垂向水流中(見(jiàn)圖6)。在橫跨水道的斷面兩端，流速產(chǎn)生了較大的變化(見(jiàn)圖6(a)，(b))。值得關(guān)注的是在沿著水道的斷面上，在布設(shè)渦輪機(jī)斷面的下游方向，渦輪機(jī)上下層流速增加了，渦輪機(jī)所在層的流速減小了，且渦輪機(jī)下層的流速增強(qiáng)大于上層的流速增強(qiáng)。但是在下游大約300m的范圍內(nèi)，渦輪機(jī)所在層的流速繼續(xù)下降且影響范圍更廣(見(jiàn)圖6(c)，(d))。從圖中也可以看出在水流到達(dá)渦輪機(jī)之前，流速有些微的增強(qiáng)。

圖6 與圖5相似，是圖3中藍(lán)色直線所示穿越海峽(a和b)和沿著海峽(c和d)兩個(gè)斷面上漲潮時(shí)(a和c)及落潮時(shí)(b和d)的流速比值分布

6 結(jié)語(yǔ)

在本文的研究中，通過(guò)FVCOM模型建立了Quoddy Region海域的三維潮流數(shù)值模型。模型結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，調(diào)和分析結(jié)果表明,M2是所有分潮中誤差最大的，振幅和潮流橢圓長(zhǎng)軸誤差分別為4.3cm與16.8cm/s，相對(duì)誤差分別為1.6%與12.8%。模型能較好的反應(yīng)研究海域的流體動(dòng)力學(xué)特征，計(jì)算結(jié)果可靠。

實(shí)驗(yàn)1、2和3提取潮流能的效率分別是3.93%、3.94%和4.57%。實(shí)驗(yàn)2效率的增加是因?yàn)閿嗝?上渦輪機(jī)提取能量的效率較高，實(shí)際上斷面1上的效率從3.93%降為3.01%。從實(shí)驗(yàn)2到實(shí)驗(yàn)3，渦輪機(jī)陣列的效率有了顯著的提高，主要得益于渦輪機(jī)陣列的排列方式及斷面2所蘊(yùn)藏的能量高于另外兩個(gè)斷面。本文得到了渦輪機(jī)陣列提取能量的效率隨著流速衰減系數(shù)的變化規(guī)律，表明當(dāng)流速衰減系數(shù)為0.6時(shí)，如實(shí)驗(yàn)一的渦輪機(jī)陣列可以得到最大的提取潮流能的效率。

不同實(shí)驗(yàn)下渦輪機(jī)提取能量效率的變化可以由渦輪機(jī)導(dǎo)致的流速變化來(lái)解釋。水流通過(guò)渦輪機(jī)之后，會(huì)在其后面形成尾流，尾流中的流速較小，處于尾流中的渦輪機(jī)效率會(huì)產(chǎn)生顯著的下降，而交錯(cuò)布設(shè)的渦輪機(jī)陣列可以有效的避免渦輪機(jī)直接處于尾流中，且增加了空間利用率。同時(shí)渦輪機(jī)的存在也對(duì)垂向的水流產(chǎn)生影響，在渦輪機(jī)斷面的下游，渦輪機(jī)層的流速減小，其上下層的流速增加，且下層流速的增加值大于上層。在水流到達(dá)渦輪機(jī)之前，流速略有增加。

本文是在數(shù)值模型中模擬能量提取的初步嘗試，如果需要優(yōu)化渦輪機(jī)陣列的布置方式，需要做更多的實(shí)驗(yàn)。如果針對(duì)具體型號(hào)的渦輪機(jī)，需要考慮渦輪機(jī)的安裝、支撐結(jié)構(gòu)對(duì)水流的影響，而不僅僅是旋轉(zhuǎn)葉片的影響。另外今后可以進(jìn)一步研究提取潮流能對(duì)生態(tài)環(huán)境亦會(huì)產(chǎn)生影響。

致謝：感謝緬因大學(xué)Stephen Cousins先生提供計(jì)算機(jī)技術(shù)支持。

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責(zé)任編輯 龐 旻

The Extraction of Tidal Current Energy and Its Effect on Tidal Current

BAO Min, BAO Xian-Wen

(College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

This study is based on a coastal ocean model for Quoddy Region whose results are validated well with observations. Turbines are implemented in the regional ocean circulation model. The energy extraction quantities and efficiencies across Western Passage for three different types of turbine arrangements are determined. Over one spring-neap cycle, the third type of arrangement with lattice form can harvest most energy 1148.1 MWh with extraction efficiency 4.57% which is much higher than the others. A power curve is determined for different values of flow blockage in case 1, the asymmetry of the curve is similar to the one shown in previous theoretical study. Meanwhile the effects on tidal current by extracting energy are evaluated.

tidal current energy; extraction; effects; model; curve

美國(guó)能源部項(xiàng)目(DE-EE0000298)； 中國(guó)海洋可再生能源專項(xiàng)(GHME2010ZC11；GHME2011ZC03；GHME2010ZC08)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276083)資助

2013-09-17；

2013-10-18

鮑 敏(1985-)，女， 博士生。E-mail：minbao1985@gmail.com

P731.23

A

1672-5174(2015)02-001-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20130357