CN104155128B - 峡道潮流能开发对开敞区海域影响的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种峡道潮流能开发对开敞区海域影响的实验方法，通过如下措施实现：设置一峡道区结构，并制造峡道区潮流，在峡道区潮流中放置发电机，利用峡道区潮流发电；在峡道区的进、出口端，各设置一流速测量装置，测试峡道区进、出口流速；改变发电机的发电量，记录不同发电量下，峡道区出口流速相对于进口流速的变化，根据流速变化确定对开敞区海域的影响，流速变大，对开敞区海域的影响则大。本发明提供了一种专门用于开发峡道潮流能的模拟方法，以研究分析潮流能捕获对敞开区海域的影响，有利于潮流能的开发利用。
Description
技术领域
本发明涉及峡道潮流能开发的研究，尤其涉及研究峡道潮流能开发对开敞区海域的影响的实验方法，包括对开敞区海域床面切应力及泥沙输移率的影响。
背景技术
海洋资源开发利用是人类共同面临的重大课题，随着人类生产活动的迅速发展，陆地资源已远远不能满足人类对能源的需求，向蕴藏着丰富资源的辽阔海洋进军已经成为人类共同的目标。潮流能是由月球和太阳的引潮力使海水产生周期性往复水平运动所形成的动能。
峡道是岛屿与岛屿之间、岛屿与大陆之间或大陆与大陆之间狭窄的水流通道，是目前各国潮流能开发的主战场。峡道既不同于受径流影响的河口环境，也不同于开放式海域和半封闭海湾环境。由于峡道地形的制约，峡道内水流为往复流，向峡道的口外敞开区，逐渐演变成旋转流；峡道内由于过水断面面积的缩小，潮流速较大，向敞开区涨落潮流速变小；峡道口门区存在显著的波浪作用。
潮流能发电是一种新型的能源开发。就远场而言，从潮汐系统中捕获能量将引起水流结构的改变，包括流速的变化。在潮流能捕获较小的情况下，潮汐通道内的流速U变化不大，但是如果潮流能捕获达到10％时，潮汐通道内的流速U就会发生显著变化。但是已有研究表明，开敞区床面切应力是U2的函数，因此即便是流速较小的变化，也可能会导致开敞区床面切应力较大的改变。同时沉积物输运率与流速U具有更高的幂函数关系，有学者指出，推移质和悬移质输沙率之和是U3.4的函数，流速的变化对沉积物输运率的影响更大。鉴于流速对床面及沉积物输运率的影响，限制了潮流能的开发，目前实际捕获方案一般才不超过1％的能量捕获，非常有限。
潮流能的开发到底对开敞区海域的影响有多大，现有的一些量化评估方法还不能准确评估，从一定程度上也阻碍了潮流能发电技术的发展。为了获得更多的潮流能，同时又不致使流速变化太大对开敞区造成不良影响，就需要研究出能量捕获与流速变化之间的合理关系，为潮流能的开发作出贡献。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种用于研究峡道潮流能开发对开敞区海域影响的实验方法。该实验方法模拟性强，可以真实反映潮流能的捕获对开敞区海域的影响，为实际工程提供指导建议。
本发明采取的技术方案如下：一种峡道潮流能开发对开敞区海域影响的实验方法，通过如下措施实现：
设置一峡道区结构，并制造峡道区潮流，在峡道区潮流中放置发电机，利用峡道区潮流发电；
在峡道区的进、出口端，各设置一流速测量装置，测试峡道区进、出口流速；
改变发电机的发电量，记录不同发电量下，峡道区出口流速相对于进口流速的变化，根据流速变化确定对开敞区海域的影响，流速变大，对开敞区海域的影响则大。
所述对开敞区海域的影响，包括对床面切应力的影响和对沉积物输运率的影响。
所述实验方法的具体步骤是：
1)首先设定一种峡道区结构；
2)在所述峡道区内，安装一台固定型号的水利发电机；
3)向峡道区内输水，制造峡道区潮流，在峡道区的进水端和出水端各设置一流速测量装置，测试进、出水的流速；
4)改变发电机的发电量，记录该峡道区结构下，不同发电量对应的进、出水流速；
5)改换另一种峡道区结构，重复上述2)～4)步的操作；
6)遍历所有峡道区结构，重复上述2)～4)步的操作；
7)最后找出所有峡道区结构下，哪一种结构中，发电量最大，而对应的流速影响最小，将此发电量作为指导发电量，将此结构作为实际工程的指导结构。
上述，构造峡道区结构，并制造峡道区潮流的方法是：
由两块弧形挡板围成一个中间窄两边宽的峡道区，所述弧形挡板的弧度可调；在峡道区的上方，架设一发电机，发电机转子部分浸在峡道区的水流中；
所述峡道区的两端，各通过侧挡板围成一进水开敞区和一出水开敞区；
在进水开敞区设置有多个变频水泵，从不同方向向峡道区供水，在峡道区制造峡道潮流；
在进水开敞区和出水开敞区各设置流速测量装置。
进一步讲：
通过调整两块弧形挡板的曲度，调整峡道区的宽窄度；所述进水开敞区和出水开敞区的过水断面积都比峡道区的过水断面积大。
所述变频水泵的进口端与地下水库连接，变频水泵的出口端对着进水开敞区；出水开敞区的出口与地下水库连接，由此构成一套循环供水装置。
在采取以上技术方案的基础上，本发明能够获得如下有益效果：(1)本发明提供了一种专门用于开发峡道潮流能的模拟方法，以研究分析潮流能捕获对敞开区海域的影响，有利于潮流能的开发利用。(2)本发明提供的用于开发峡道潮流能的模拟系统得到的潮流流速对输沙率影响与输沙路径实际情况基本相符。
附图说明
图1为本发明系统的整体结构俯视示意图；
图中，1-峡道区，2-进水开敞区，3-出水开敞区，4-变频水泵，5、6-流速测量装置，7-发电机，8-桁架。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种用于研究峡道潮流能开发对开敞区海域影响的实验方法，该方法的核心指导思想是，通过创造不同的峡道区潮流，测试该峡道潮流下的发电量，观察该峡道区结构下，以及发电量不同的情况下，对峡道区进、出口流速的影响，由此建立起峡道区结构与发电量以及流速的合理机制，使得在某种峡道区结构下，发电量尽可能大，而流速变化尽可能小，该种峡道区结构也将作为实际工程的设计依据。
该实验的具体方法是：
1)首先设定一种峡道区结构不变，记为I型峡道区(假设一共有N种结构可选)；
2)在该种峡道区结构内，安装一台固定型号的水利发电机；
3)向峡道区内输水，制造峡道潮流，在峡道区的进水端和出水端各设置一流速测量装置，测试进、出水的流速；
4)改变发电量，观察发电量的改变对进、出水流速的影响，作记录，找出该种结构下，多大发电量时对流速影响最小；
5)改换另一种峡道区结构，记为II型峡道区，重复上述步骤2)～4)的操作；
6)遍历所有可以选择的峡道区结构，重复上述步骤2)～4)的操作；
7)最后找出所有情况下，哪一种情况是发电量最大，而对流速的影响最小，将此发电量作为该结构下的指导发电量，将此结构作为实际工程的指导结构。
当然，上述是一种比较复杂但是却比较全面的实验方法，也可以只选定一种峡道区结构，仅指观察发电量对峡道流速的影响，找出合理的发电量即可。
因此，为了实现上述方法，需要设计一种实验装置。该装置包括：一由两块弧形挡板围成的一个中间窄两边宽的峡道区1，即峡道区的中间部位过水断面积小，两端过水断面积大。弧形挡板的弧度可调，相当于峡道区1的宽窄度可调，由此模拟不同的峡道流。在峡道区的两端分别由侧挡板围成两个开敞区，一端作为进水开敞区2，另一端作为出水开敞区3；两个开敞区的过水断面积都比峡道区大。在进水开敞区2的进口设置有多个变频水泵4，多个水泵同时从不同方向供水，制造出开敞区的旋转流。进水开敞区2的水道与峡道区1相通，水流经过开敞区进入峡道区之后，在峡道区由于截面积变小而形成往复流。出水开敞区3的水道与峡道区1也相通，从峡道区出来的水流经出水开敞区3流走。在峡道区1的进、出口端，设置水流速测量装置5、6，可测量峡道区进、出水的流速。
在峡道区1的上方，通过桁架8架设一发电机7。发电机7转子浸在峡道区的水流处。
通过调整峡道区的水道宽窄度，变换峡道出口区的水流流速。通过测量发电机的发电量和对应的水流速，建立发电量与流速(也即峡道区形状)的关系，从中寻找出发电量大，而流速变化小的一组组合所对应的峡道区形状，为实际工程建造提供指导。
进一步讲，还设置一套循环供水装置，包括上述的变频水泵4外，还有一地下水库，其中，变频水泵的进口端与地下水库连接，变频水泵4的出口端对着进水开敞区2；出水开敞区3的出口与地下水库连接。水在变频水泵的驱动下，从地下水库流出，经过进水开敞区2、峡道区1和出水开敞区3，再回流进入地下水库，形成循环流动，节约水源。其潮流先后在进水开敞区形成旋转流，在峡道区形成往复流，最后又到出水开敞区形成旋转流。分别在进水开敞区2和出水开敞区3内设置流速测点，然后比较峡道区1前后的水流流速变化。在峡道区1内设置潮流发电机7，用于将潮流能转化为电能。通过研究前后流速的变化，确定潮流发电对床面切应力、沉积物输运率的影响，寻找最佳的合理发电量以及最佳的峡道围堤的形状。
Claims (4)
1.一种峡道潮流能开发对开敞区海域影响的实验方法，其特征在于：设置一峡道区结构，并制造峡道区潮流，在峡道区潮流中放置发电机，利用峡道区潮流发电；
在峡道区的进、出口端，各设置一流速测量装置，测试峡道区进、出口流速；
改变发电机的发电量，记录不同发电量下，峡道区出口流速相对于进口流速的变化，根据流速变化确定对开敞区海域的影响，流速变大，对开敞区海域的影响则大；
所述对开敞区海域的影响，包括对床面切应力的影响和对沉积物输运率的影响；
所述实验方法的具体步骤是：
1)首先设定一种峡道区结构；
2)在所述峡道区内，安装一台固定型号的水利发电机；
3)向峡道区内输水，制造峡道区潮流，在峡道区的进水端和出水端各设置一流速测量装置，测试进、出水的流速；
4)改变发电机的发电量，记录该峡道区结构下，不同发电量对应的进、出水流速；
5)改换另一种峡道区结构，重复上述2)～4)步的操作；
6)遍历所有峡道区结构，重复上述2)～4)步的操作；
7)最后找出所有峡道区结构下，哪一种结构中，发电量最大，而对应的流速影响最小，将此发电量作为指导发电量，将此结构作为实际工程的指导结构。
2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于：构造峡道区结构，并制造峡道区潮流的方法是：
由两块弧形挡板围成一个中间窄两边宽的峡道区，所述弧形挡板的弧度可调；在峡道区的上方，架设一发电机，发电机转子部分浸在峡道区的水流中；
所述峡道区的两端，各通过侧挡板围成一进水开敞区和一出水开敞区；
在进水开敞区设置有多个变频水泵，从不同方向向峡道区供水，在峡道区制造峡道潮流；
在进水开敞区和出水开敞区各设置流速测量装置。
3.根据权利要求2所述的实验方法，其特征在于：通过调整两块弧形挡板的曲度，调整峡道区的宽窄度；所述进水开敞区和出水开敞区的过水断面积都比峡道区的过水断面积大。
4.根据权利要求2所述的实验方法，其特征在于：所述变频水泵的进口端与地下水库连接，变频水泵的出口端对着进水开敞区；出水开敞区的出口与地下水库连接，由此构成一套循环供水装置。
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