基于频域模型和时域模型的波浪能评估计算

【摘要】：自上世纪70年代，波浪能就已经被看作是非常重要的可再生能源。受到石油危机的冲击之后，一些沿海工业化国家陆续启动了对波浪能的研究开发项目，但大多数仍处于研发阶段，相对技术比较成熟的新能源，如风能，波浪能尚不能投入市场进行大规模开发利用。但近些年来，很多国家关于波浪能的研发工作都呈现了快速的发展趋势。 本文分析了成山头海上试验场海域的海洋水分资料，统计了一年内波浪的有效波高-波向频率分布以及平均周期-波向频率分布，确定了各季度的常浪向与强浪向。通过波浪浮标实测数据对SWAN模型进行了验证，并将一年的波浪条件分为5个代表波况（2011年7月至9月典型波浪条件、2011年7月至9月台风过程峰值、2011年10月至12月典型波浪条件、2012年1月至3月典型波浪条件以及2012年4月至6月典型波浪条件），利用验证后的SWAN模型对成山头海上试验场区的各波况下的波浪条件进行了模拟，计算了波浪功率的空间分布，并基于各季度代表波况出现天数进行时间加权计算得到一年内平均波功率分布，选取波能聚集的区域作为波浪能发电装置的布放站点。 精确计算波浪能站点的输入波浪能量是评估测试波浪能发电装置效率的关键。为了计算试验场中，波浪能发电装置运行期间的输入能量，本文基于现行广泛使用于波浪能储量评估中的频域方法，提出了一种新的可以计算短期内波浪能站点的输入波功率的时域计算方法。该方法采用时域波浪模型SWASH对试验场区的波浪场进行模拟，从而可以提取全场任意点的时序列波浪参数用于计算该点的时序列波功率输入，通过计算时序列波列中每一个单个波的能量，叠加得到该波列的总波浪能。分别采用频域方法和时域方法对选取的波浪能站点输入波浪能量进行计算，结果表明在深水和近岸站点，频域方法都得到了偏大的输入波能值。通过对主要计算参数的分析和比较可知，由于使用了代表真实海况的时序列波浪参数而避免了计算参数的统计偏差，时域计算方法的结果比频域方法基于统计特征值计算得到的波功率结果更接近真实值，同时该方法也提供了一种检测波浪能发电装置实时发电效率的思路。 【关键词】：波浪能 波功率 时域方法 频域方法 SWAN SWASH 海上试验场
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P743.2
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-14
• 1.1 研究背景与目的7-8
• 1.1.1 研究背景7-8
• 1.1.2 研究目的8
• 1.2 国内外技术现状8-12
• 1.2.1 海上试验场8-9
• 1.2.2 储量评估计算9-12
• 1.3 本文的主要工作12-14
• 第二章 频域及时域波浪数值模型14-21
• 2.1 频域波浪模型——SWAN14-16
• 2.1.1 模型概述14
• 2.1.2 控制方程14-15
• 2.1.3 数值计算方法15-16
• 2.2 时域波浪模型——FUNWAVE16-18
• 2.2.1 模型概述16-17
• 2.2.2 控制方程17
• 2.2.3 数值计算方法17-18
• 2.3 时域波浪模型——SWASH18-20
• 2.3.1 模型概述18
• 2.3.2 控制方程18-19
• 2.3.4 数值计算方法19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第三章 海洋水文资料分析21-28
• 3.1 气候条件21-22
• 3.2 观测结果分析22-27
• 3.2.1 有效波高分布22-24
• 3.2.2 平均周期分布24-27
• 3.3 本章小结27-28
• 第四章 波浪能计算方法28-33
• 4.1 波浪能量计算28-29
• 4.2 波功率计算29-32
• 4.2.1 频域方法29-31
• 4.2.2 时域方法31-32
• 4.3 本章小结32-33
• 第五章 波浪能储量评估33-52
• 5.1 频域模型验证34-35
• 5.2 波功率分布计算35-47
• 5.2.1 波况 135-38
• 5.2.2 波况 2 台风38-40
• 5.2.3 波况 340-43
• 5.2.4 波况 443-45
• 5.2.5 波况 545-47
• 5.3 波浪能资源时空分布特征47-49
• 5.4 波浪能站点选取49-50
• 5.5 本章小结50-52
• 第六章 时域方法计算52-66
• 6.1 两种时域模型对比结果52-55
• 6.2 时域模型计算55-65
• 6.2.1 波况 157-60
• 6.2.2 波况 260-65
• 6.3 本章小结65-66
• 第七章 结论与展望66-68
• 7.1 主要结论66-67
• 7.2 研究展望67-68
• 参考文献68-72
• 发表论文和参加科研情况说明72-73
• 致谢73

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