CN112417779A - 一种海流能理论储量评估方法 - Google Patents

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Abstract

海流能理论储量评估方法，步骤：1）选取海流能理论储量估算的目标区域，提取目标区域的坐标范围；2）获取步骤1中所述的目标区域的海底水深；3）获取步骤2中所述的目标区域空间的流速、海水密度的水文数据；4）根据步骤3中所得的水文数据，计算所述的目标区域的单位面积海流能理论储量；5）计算所述的目标区域的面积；6）根据步骤3中所得的流速、海水密度的水文数据、步骤2中指定的目标区域的海底水深、步骤5中所得的目标区域的面积，计算得到所述的目标区域空间范围内的区域海流能理论储量。优点：提供新的区域海流能理论储量估算的方法，为区域海流能理论储量的估算、海流能政策制定提供定量化评估方法，对开发利用海流能资源、制定海流能政策具有重要意义。

Description

一种海流能理论储量评估方法
技术领域
本发明涉及可再生能源评估技术领域，具体涉及一种海流能理论储量的评估方法。
背景技术
沿海各国，特别是比利时、英国、美国、俄罗斯、日本、法国等都非常重视海洋能的开发，对潮流能进行了较深入的研究。Roger H.Charlier对潮流能的开发前景给予了充分论证，并提了海洋潮能与潮流能的能量密度公式，并且对潮流能开发前景较好的海域及潮流发电机的型式给予了介绍；由于潮流能与海流能相近，A.S.Bahaj&L.E.Myers将潮流能开发与海流能的开发进行对比论证，就海洋环境对潮流能转换器的影响进行了探讨，还对一般情况下潮流对风轮状的转换器的水平推力进行了计算；A.S.Bahaj elt.应用英国海军公布的奥尔德尼水道的潮流数据对奥尔德尼的湍急海峡潮流能开发前景进行了探讨，根据潮流与风相似的特点提出了计算日、周、年的潮流能密度；A.S.Bahaj elt.还讨论了适合于潮流发电的潮流能转换器所需的长宽高以及潮流能转换器的转换率等参数，通过对这些因素的探讨，对奥尔德尼水道潮流能的年开发量进行了计算，并通过分析给出了潮流能转换器空间尺度分布图；I.G.BRYDEN elt.给出了潮流能转换系数与潮流能转换器的螺旋桨转动速率之间的关系曲线以及流速与潮流能输出率的关系曲线，并且对潮流能转换器所需的水深等地理因素以及地质条件和设备投资的成本核算方面进行了探讨，通过给出往复流流速简化的数学形式对外-赫布里底的伯纳里湾的潮流进行了模拟(Simulated flow in theBerneray Sound,outer Hebrides)，并简要的说明了欧洲的潮流能的储量与规模以及对可能的技术条件进行了简要的论证；W.E.Alnaser通过给出海流能密度公式对巴林附近海域的潮流能储量与可开利用发量进行了估算；L.Myers etl.对潮流能转换机机组的间距及其对流速减耗进行了分析，通过探讨奥尔德尼水道在大潮时不同阻水系数情况下发电机组间的潮流流速衰减规律对潮流能可开发利用量进行较好的估算；I.G.Brydenetl.对潮流能转换机的能量储存装置进行了较详细的研究。总体看来，国外对潮流能的储量计算、可开发利用量计算、潮流能转换机的空间布设以及潮流能所转化成电能后的输送与储存等方面都进行了较深入详细的研究。
总体看来，海流能理论储量的计算方法目前也没有完善，另外常用的评估海流能的方法是基于动能概念来计算的，也就是海流能量(wind power capacity，
Figure BDA0002787955600000021
)或者海流能密度(wind power density，
Figure BDA0002787955600000022
)，两者其实都是以动能为理论基础的，后一个公式是前一个公式的导出公式，也就是前一个公式除以面积后得到的。前一个公式满足的动能的条件就是流速必须与面积是垂直的,这就造成了海流能密度可以计算空间上海流能密度的分布，但是用这种方法计算区域海流能储量非常困难。
为此，本发明提供了一个新的海流能理论储量的评估方法，可以为目标区域空间内的海流能理论储量评估提供方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种海流能理论储量评估的新方法，其目的在于利用流速、海水密度数据，计算目标区域海流能理论储量，利用单位面积海流能理论储量分布的计算公式计算目标区域单位面积海流能理论储量，结合区域海流能理论储量计算公式，进行区域海流能理论储量计算，并进行海流能资源评估。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种海流能理论储量评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)选取海流能理论储量估算的目标区域，提取目标区域的坐标范围；
所述目标区域的坐标范围为，按顺序排列的边界拐点的经度、纬度的数列；或者，以一个坐标点为参照的空间几何尺度的描述；
2)获取步骤1)中所述的目标区域的海底水深；
3)获取步骤2)中所述的目标区域空间的流速、海水密度的水文数据；
所述的流速、海水密度的水文数据，为实测的一个或者多个离散点的数据；或者，用数值模拟方法计算的一个或者多个离散点的数据；
有多个离散点的流速、海水密度的水文数据时，将该目标区域剖分成小网格，最大网格步长小于或等于最近数据点距离的1/10，并将离散点的流速、海水密度的水文数据及水深数据插值到网格中心点上；
4)根据步骤3)中所得的水文数据，计算得到所述的目标区域的单位面积海流能理论储量；
5)计算所述的目标区域的面积；
所述目标区域的面积，用等面积投影、几何图形面积计算法、多边形面积计算法、或者借助AutoCAD、ArcGis、MapGis、Mapinfor地理信息***，计算区域面积；
6)根据步骤3)中所得的流速、海水密度的水文数据、步骤2)中指定的目标区域的海底水深、步骤5)中所得的目标区域的面积，计算得到所述的目标区域空间范围内的区域海流能理论储量。
2.根据权利要求1所述的海流能理论储量评估方法，其特征在于：步骤4)中，所述的单位面积海流能理论储量，使用以下公式进行计算：
ED＝∫(1/2ρV2)dz
式中：ED是单位面积海流能理论储量，V是流速，ρ是海水密度，dz垂向空间的高度。
3.根据权利要求2所述的海流能理论储量评估方法，其特征在于：步骤6)中，所述的根据区域海流能理论储量计算公式，计算所述的目标区域空间范围内的区域海流能理论储量；
所述的区域海流能理论储量计算公式，具体形式如下：
ER＝∫∫∫(1/2ρV2)dxdydz
式中：ER是区域海流能理论储量，V是随高度变化的流速；ρ是海水密度；dz垂向空间的步长，依据水文数据垂向分布而定；∫∫dxdy是选取海流能理论储量估算的目标区域的面积，其中dxdy是空间步长，依据平面上水文数据的位置情况及目标区域气象复杂程度而定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)提供了一种新的单位面积海流能理论储量分布的计算的方法；2)提供了一种新的区域海流能理论储量估算的方法；3)为区域海流能理论储量的估算、以及地区或国家的海流能政策制定的海流能发电资源量化指标、及海流能发电场址的比选及提供了一种定量化评估的方法；4)本发明具有良好推广应用前景，对于开发利用海流能资源、制定海流能政策具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例的海流能理论储量评估方法的基本流程图；
图2为本发明实施例选取目标区域范围示意图；
图3为本发明实施例选取目标区域范围内水深分布示意图；
图4为本发明实施例的流速数据分布示意图；
图5为本发明实施例的目标区域剖分的网格图；
图6为本发明实施例的单位面积海流能理论储量分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例一
如图1至6所示，一种海流能理论储量评估方法，包括以下步骤：
1)选取海流能理论储量估算的目标区域，提取目标区域的坐标范围；
目标区域的坐标范围为，按顺序排列的边界拐点的经度、纬度的数列(或者投影后的平面直角坐标)。
本实施例中选取湛江湾作为目标区域，具体的区域坐标范围为按顺序排列的范围坐标点的经度、纬度和标识点的数列(或者投影后的平面直角坐标)。区域范围数列具体形式数下，本发明实施例选取目标区域范围示意图见图2，本实施例是在UTM49投影下的直角坐标：
经度序列 纬度序列 备注说明
530834.80 2375561.11 边界拐点号1
529889.66 2375904.30 边界拐点号2
529208.04 2376643.67 边界拐点号3
528421.81 2377271.27 边界拐点号4
…… …… ……
532235.03 2272310.26 边界拐点号908
530834.80 2375561.11 边界拐点号1
2)指定步骤1中的目标区域的海底水深；
本实施例中的目标区域的海底水深为目标区域内的海底水深；本实施例选取目标区域范围内水深分布示意图见图3。
3)获取表征步骤2中的目标区域空间的流速、海水密度的水文数据；
目标区域空间的流速、海水密度的水文数据，为实测的一个或者多个离散点的数据；或者，用数值模拟方法计算的一个或者多个离散点的数据；
本实施例中选取通过数值模拟方法获取的空间分布的计算结果数据，本发明实施例的流速数据分布示意图见图4。
所获取的数据为多个离散点的流速、海水密度的水文数据，将该目标区域剖分成小网格，本发明实施例的目标区域剖分的网格图见图5，最大网格步长小于或等于最近数据点距离的1/10，并将离散点的流速、海水密度的水文数据插值到网格中心点上。
本实施例海水密度取的是常数，海水密度一般在1.02～1.07g/cm3。本实施例取1.05g/cm3。
4)根据步骤3中所得的水文数据，计算得到目标区域的单位面积海流能理论储量；
单位面积海流能理论储量的单位面积海流能理论储量的计算公式具体形式如下：
ED＝∫(1/2ρV2)dz；
式中：ED是单位面积海流能理论储量，V是流速，ρ是海水密度，dz垂向空间的高度。
计算结果可以利用surfer、AutoCAD、ArcGis、MapGis、Mapinfor等地理信息***软件进行单位面积海流能理论储量分布图显示，本发明实施例的单位面积海流能理论储量分布图见图6，通过图件中单位面积海流能理论储量数值的高低来评估海流能资源状况优劣。
5)计算的目标区域的面积；
目标区域的面积，用等面积投影、几何图形面积计算法、多边形面积计算法、或者借助AutoCAD、ArcGis、MapGis、Mapinfor地理信息***，计算区域面积；
为了准确的计算目标区域的海流能理论储量，本实施例中利用等面积投影(theprojection of Equal Area)计算了目标区域的各个网格面积，计算的网格面积在130371m2逐渐增长到1054440m2，通过对目标区域的各个单元格面积加和，求得目标区域面积为8448904058m2。
6)根据步骤3中所得的流速、海水密度的水文数据、步骤2中指定的目标区域的海底水深、步骤5中所得的目标区域的面积，计算得到目标区域空间范围内的区域海流能理论储量。
标区域空间范围内的区域海流能理论储量计算公式，具体形式如下：
ER＝∫∫∫(1/2ρV2)dxdydz；
式中：ER是区域海流能理论储量，V是随高度变化的流速；ρ是海水密度；dz垂向空间的步长，依据水文数据垂向分布而定；∫∫dxdy是选取海流能理论储量估算的目标区域的面积，其中dxdy是空间步长，依据平面上水文数据的位置情况及目标区域气象复杂程度而定。
本实施例中对选定的湛江湾为目标区域，计算得到的海流能理论储量为1.01×1013焦耳。
实施例二
如图1至6所示，一种海流能理论储量评估方法，包括以下步骤：
1)选取海流能理论储量估算的目标区域，提取目标区域的坐标范围；
目标区域的坐标范围为，以一个坐标点为参照的空间几何尺度的描述。
本实施例中选取某一个海流能发电机为例：其地理坐标为110.5374°E，21.08145°N，具体的区域坐标范围是以这个海流能发电机的机座为中心的以20m为半径的圆形底面。
2)指定步骤1中的目标区域的海底水深；
本实施例中的目标区域的海底水深为30m高的圆柱状空间内。
3)获取表征步骤2中的目标区域空间的流速、海水密度的水文数据；
目标区域空间的流速、海水密度的水文数据，为实测的一个或者多个离散点的数据；或者，用数值模拟方法计算的一个或者多个离散点的数据；
本实施例中选取的是一个站位的2019年平均的实测垂向分层流速数据，具体数据如下：
Figure BDA0002787955600000061
Figure BDA0002787955600000071
本实施例海水密度采用的是经验数据1.05g/cm3。
4)根据步骤3中所得的水文数据，计算得到目标区域的单位面积海流能理论储量；
目标区域的单位面积海流能理论储量的计算公式具体形式如下：
ED＝∫(1/2ρV2)dz；
式中：ED是单位面积海流能理论储量，V是流速，ρ是海水密度，dz垂向空间的高度。
本实施例中依据获取的流速的垂向分层情况，按中间分层法分层，具体层厚为(5m,8m,10m,7m),本实施例空间的水深为30m深。
本实施例中对某一个海流能发电机附近按上述公式对选定区域空间单位面积海流能理论储量进行了计算，计算结果约为31475焦耳/平方米。
5)计算的目标区域的面积；
目标区域为规则的圆柱形，为此底面积为半径20m的圆形，根据几何图形面积(圆形面积)计算法计算其面积为1256m2。
6)根据步骤3中所得的流速、海水密度的水文数据、步骤2中指定的目标区域的海底水深、步骤5中所得的目标区域的面积，计算得到目标区域空间范围内的区域海流能理论储量。
目标区域空间范围内的区域海流能理论储量计算公式，具体形式如下：
ER＝∫∫∫(1/2ρV2)dxdydz；
式中：ER是区域海流能理论储量，V是随高度变化的流速；ρ是海水密度；dz垂向空间的步长，依据水文数据垂向分布而定；∫∫dxdy是选取海流能理论储量估算的目标区域的面积，其中dxdy是空间步长，依据平面上水文数据的位置情况及目标区域气象复杂程度而定。
本实施例海水密度采用的是经验数据1.05g/cm3。本实施例中依据获取的流速的垂向分层情况按中间分层法分层，具体层厚为(5m,8m,10m,7m),本实施例水深取为20m高。∫∫dxdy是面积，本实施例选用的是第4步得到的面积。
本实施例中对某一个海流能发电机附近按上述公式对选定区域空间理论海流能储量进行了计算，该海流能发电机附近以20m为半径的圆形底面和30m深的圆柱状空间内的海流能理论储量为3.95×107焦耳。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种海流能理论储量评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)选取海流能理论储量估算的目标区域，提取目标区域的坐标范围；
所述目标区域的坐标范围为，按顺序排列的边界拐点的经度、纬度的数列；或者，以一个坐标点为参照的空间几何尺度的描述；
2)获取步骤1)中所述的目标区域的海底水深；
3)获取步骤2)中所述的目标区域空间的流速、海水密度的水文数据；
所述的流速、海水密度的水文数据，为实测的一个或者多个离散点的数据；或者，用数值模拟方法计算的一个或者多个离散点的数据；
有多个离散点的流速、海水密度的水文数据时，将该目标区域剖分成小网格，最大网格步长小于或等于最近数据点距离的1/10，并将离散点的流速、海水密度的水文数据及水深数据插值到网格中心点上；
4)根据步骤3)中所得的水文数据，计算得到所述的目标区域的单位面积海流能理论储量；
5)计算所述的目标区域的面积；
所述目标区域的面积，用等面积投影、几何图形面积计算法、多边形面积计算法、或者借助AutoCAD、ArcGis、MapGis、Mapinfor地理信息***，计算区域面积；
6)根据步骤3)中所得的流速、海水密度的水文数据、步骤2)中指定的目标区域的海底水深、步骤5)中所得的目标区域的面积，计算得到所述的目标区域空间范围内的区域海流能理论储量。
2.根据权利要求1所述的海流能理论储量评估方法，其特征在于：步骤4)中，所述的单位面积海流能理论储量，使用以下公式进行计算：
ED＝∫(1/2ρV2)dz
式中：ED是单位面积海流能理论储量，V是流速，ρ是海水密度，dz垂向空间的高度。
3.根据权利要求2所述的海流能理论储量评估方法，其特征在于：步骤6)中，所述的根据区域海流能理论储量计算公式，计算所述的目标区域空间范围内的区域海流能理论储量；
所述的区域海流能理论储量计算公式，具体形式如下：
ER＝∫∫∫(1/2ρV2)dxdydz
式中：ER是区域海流能理论储量，V是随高度变化的流速；ρ是海水密度；dz垂向空间的步长，依据水文数据垂向分布而定；∫∫dxdy是选取海流能理论储量估算的目标区域的面积，其中dxdy是空间步长，依据平面上水文数据的位置情况及目标区域气象复杂程度而定。
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