周川，黃亞玨

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663；2. 珠江流域水資源保護(hù)局，廣州 510611)

?

廣東某海上風(fēng)電場波浪能資源分析

周川1，黃亞玨2

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663；2. 珠江流域水資源保護(hù)局，廣州 510611)

海上風(fēng)電場場址海域風(fēng)資源豐富，因此也伴隨著豐富的波浪能資源。以廣東省某海上風(fēng)電場為例，采用第三代海浪數(shù)值模式WAVEWATCH-III模擬該海域近十五年波浪場資料。綜合考慮本海域的波浪能密度、波浪能級頻率、波浪能資源穩(wěn)定性等方面對波浪能資源進(jìn)行分析。為波浪能資源的開發(fā)與利用提供依據(jù)。

海上風(fēng)電場；WAVEWATCH-III；波浪能資源

隨著資源危機(jī)的日益加劇，可再生能源作為替代能源的重要性也日益彰顯。波浪能是一種具有高能量密度的可再生能源，是海洋中分布最廣、品質(zhì)較好的能量,可通過較小的裝置實(shí)現(xiàn)其利用。世界各海洋大國都十分重視波浪能的研究，據(jù)英國碳信托投資公司估算，英國實(shí)用離岸波浪能每年為55 TWh，占當(dāng)前所需能源14%，美國電能所評估美國切實(shí)可行的波浪能為每年255 TWh，占當(dāng)前所需能源6%。

自20世紀(jì)70年代，很多沿海工業(yè)化國家陸續(xù)啟動了對波浪能的研究開發(fā)項(xiàng)目，但大多數(shù)仍處于研發(fā)階段。近年來，很多國家關(guān)于波浪能的研發(fā)工作都呈現(xiàn)了加快發(fā)展的趨勢，如英國Islay岸基式波能發(fā)電站已并入英國電網(wǎng)，可滿足500戶家庭的用電需求。

為有效利用波浪能，在波浪能源利用的研究過程中，首先要對所研究海域的可利用波浪能資源進(jìn)行有效可靠的評估。目前國內(nèi)外波浪能評估方法主要分為兩類：一是采用實(shí)測波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算評價，二是應(yīng)用波浪數(shù)值模式后報的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行估算與評價。由于我國長期波浪實(shí)測站點(diǎn)的設(shè)置比較少，且大都位于近岸或近海島處，在實(shí)際工作中往往無法滿足波浪能評估的要求。因此波浪數(shù)值模式后報的方法在波浪能資源評估中得到越來越多的應(yīng)用。

1 資料模擬

WAVEWATCH(III)(后簡寫成WW3)模式是由美國NOAA/NCEP環(huán)境模擬中心海洋模擬小組開發(fā)的一個全譜空間的第三代海浪模式。研究表明該模式對我國南海海域的海浪場具有較好的模擬能力[1,2]。

本文所研究的海上風(fēng)電場離岸約25 km，場址范圍內(nèi)水深約20～30 m，海域周圍缺少波浪長期觀測資料。本文利用WW3模擬該海域2000-2014年近15年的波浪場數(shù)據(jù)，并利用該海域短期的波浪實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證，分析該海域的波浪能資源。

收集該海域2015年6月1日至2015年6月30日一個月的實(shí)測波浪觀測資料。波浪觀測采用國際上先進(jìn)的波浪騎士浮標(biāo)系統(tǒng)，測波點(diǎn)位于本文所研究的海上風(fēng)電場范圍內(nèi)，測波點(diǎn)水深約25 m。

將實(shí)測波浪觀測資料與同期模擬波浪數(shù)值資料進(jìn)行對比(圖1)。由比較可知，WW3的模擬數(shù)值與所在海域的實(shí)測波浪數(shù)值較為接近，可以反映實(shí)測波浪的變化過程。

圖1 實(shí)測波浪有效波高與模擬波浪有效波高Fig. 1 Comparison between measured wave height and simulation wave height

周川,等：廣東某海上風(fēng)電場波浪能資源分析

圖2 近15年該海上風(fēng)電場海域各年平均波浪能流密度Fig. 2 The annual average wave energy density of the past fifteen years

2 波浪能資源評估

2.1 波浪能密度評估

本文參考美國EPRI(Electric Power Research Institute)波浪能資源評估的算法[3]，公式如下：

(1)

根據(jù)公式(1)計(jì)算本海區(qū)多年波浪能流密度(圖2)。由計(jì)算可知，近十五年來該海上風(fēng)電海域多年平均波能密度為6.53kW/m，各年平均波能密度最低值出現(xiàn)在2004年為4.82kW/m，各年平均波能密度最高值出現(xiàn)在2000年為7.51kW/m。各年平均波能密度變化不大。

2.2 波浪能趨勢性分析

采用坎德爾(Kendall)秩次相關(guān)法，檢驗(yàn)該海域各年波浪能密度是否有逐年變化趨勢。

坎德爾秩次相關(guān)法原理如下[4]：對序列X1，X2…Xn，先確定所有對偶值(X1，X2，j>i)中的(Xi

此檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量：

(2)

2.3 波浪能頻級分析

目前波浪能資源的等級劃分尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文參考ZHENG等提出的全球海域波浪能資源等級區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)[5]對本工程海域的波浪能進(jìn)行頻級分析，見表1。

多年平均情況下，本海域波能密度小于1 kW/m的頻率為14.1%，波能密度大于15 km/m的頻率為9.6%。波能密度為1～6 kW/m的頻率為50.4%。另外波能密度區(qū)間為6～15 kW/m的頻率為25.9%。

表1 研究海域各等級波能密度出現(xiàn)頻率Tab.1 Each grade frequency of the wave energy density %

年份波浪能密度出現(xiàn)頻率Pw<11152000130476276119200118348024789200214559719959200316250626072200417653823947200513852624194200615449321613720071844193019720081404612541452009121443329107201096538233133201116342930310520121075592785620139853726799201411556324578平均14150425996

考慮當(dāng)波能密度大于2 kW/m時為波浪能資源可有效利用的時間，當(dāng)波能密度大于20 kW/m時為波能密度富集時間。因此將波能密度大于2 kW/m和大于20 kW/m，分別命名為可用度頻率和富集度頻率[6]。由計(jì)算可知，本工程海域波浪能資源可用度頻率為69.3%，富集度頻率為5%?？捎枚阮l率較高。

圖3 多年平均情況下各等級波能密度出現(xiàn)頻率Fig. 3 Each grade frequency of annual average wave energy density

2.4 波浪能資源穩(wěn)定性分析

對波浪能的評價除應(yīng)考慮波浪能的資源的豐富程度，還應(yīng)關(guān)注其穩(wěn)定性。穩(wěn)定的波浪能資源更具有利用價值。統(tǒng)計(jì)本工程海域近十五年來各月平均波能密度,如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場海域各月波能密度變化Fig. 4 Wave energy density of each month

本海上風(fēng)電場海域波浪能密度年內(nèi)變化較大，10月至次年2月份波能密度較大，3月至9月風(fēng)功率密度最小。12月份平均波能密度最大為11.18 kW/m，5月份平均波能密度最小為2.83 kW/m，最大月波能密度與最小月波能密度的比值為3.95。差別較大。

中國傳統(tǒng)繪畫獨(dú)特的空間觀，不僅在世界繪畫領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，而且具有歷史的超前性，打破了時空的限制，使其產(chǎn)生無限廣闊的創(chuàng)造力和豐富多彩的藝術(shù)感染力。中國華民族藝術(shù)觀點(diǎn)的形成與它所處的社會背景、文化內(nèi)涵、地域風(fēng)俗有著必然的紐帶聯(lián)系，中國繪畫作品中對于“空間”營造與表達(dá)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的中國文化和哲學(xué)思想密不可分。

Andrew、鄭崇偉等[7]提出，在海浪發(fā)電選址的評估中必須考慮數(shù)據(jù)的離散程度，即計(jì)算能流密度的變差系數(shù)，變差系數(shù)越小，則能流密度的穩(wěn)定性越好。

變差系數(shù)的具體計(jì)算方法如下：

(3)

利用式(3)計(jì)算本工程海域各月變差系數(shù)如表2。由計(jì)算結(jié)果可知本工程海域9月份波能密度變差系數(shù)最大為2.91，該月份波能密度穩(wěn)定性最差；12月份波能密度變差系數(shù)最小為0.6，該月份波能密度穩(wěn)定性最好。

表2 該海域各月份波能密度變差系數(shù)

Tab.2 Wave energy coefficient of variation for each month

月份1234CV069084086141月份5678CV149095286248月份9101112CV291126071060

本工程海域7、8、9三個月份波能密度變差系數(shù)明顯較其他月份大，主要是因?yàn)樵摵Ｓ蛟?、8、9三個月份易受臺風(fēng)影響。在臺風(fēng)影響期間，該海域會伴隨較大的風(fēng)浪過程，出現(xiàn)較高的波能密度。而在不受臺風(fēng)影響期間，7、8、9月三個月份波高較小，波能密度較低。因此該工程海域在7、8、9三個月份的波能密度最不穩(wěn)定。

該海域在10月份至次年2月份波能密度變差系數(shù)較其他月份小，波能密度穩(wěn)定性較好，而這些月份也是全年波能密度較大的月份，是波浪能資源最佳的利用月份。

3 結(jié)論

1)WW3模式對我國南海海域波浪場具有較好的模擬效果，當(dāng)評估海域缺少長年波浪觀測資料時，可借助于該模式對研究海域進(jìn)行波浪能資源評估。

2)海上風(fēng)電場場址通常具有豐富的風(fēng)能資源，因此也往往伴隨著較為豐富的波浪能。在海上風(fēng)電場海域研究風(fēng)能與波浪能的綜合利用，不僅可以實(shí)現(xiàn)對海洋的集中利用，也可以為開發(fā)者節(jié)省建設(shè)及輸電投資費(fèi)用。

3)本文通過分析年平均波能密度、波浪能頻級及波浪能資源穩(wěn)定性等因素對研究海域的波浪能資源進(jìn)行評價。經(jīng)計(jì)算，本海上風(fēng)電場海域?qū)儆诓茌^豐富的區(qū)域,可利用頻度高，波浪能資源較穩(wěn)定，具有較好的波浪能開發(fā)價值。其中每年10月份至次年2月份是該海域波浪能資源的最佳利用時間。

[1] 鄭崇偉，蘇勤 劉鐵軍. 1988—2010年中國海域波浪能資源模擬及優(yōu)勢區(qū)域劃分 [J]. 海洋學(xué)報，2013，35(3)：104-111.

ZHENG C W，SU Q, LIU T J. Wave energy resources assessment area evaluation the China sea from 1988 to 2010 [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2013, 35(3),104-111.

[2]鄭崇偉，周林. 近10年南海波候特征分析及波浪能研究 [J]. 太陽能學(xué)報，2012，33(8)：1349-1356.

ZHENG C W，ZHOU L. Wave climate and wave energy analysis of the south China sea in recent 10 years [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(8)：1349-1356.

[3]鄭崇偉，李訓(xùn)強(qiáng). 基于WAVEWATCH-III模式的近22年中國海波浪能資源評估 [J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報，2011，41(11)：005-012.

ZHENG C W, LI X Q, Wave energy resources assessment in the China sea during the last 22 years by using WAVEWATCH -III wave model[J]. Periodical of Ocean University of China, 2011，41(11)：5-12.

[4]張麗. 疏勒河流域降水分布規(guī)律及變化趨勢分析 [J]. 甘肅水利水電技術(shù)，2015，51(7)：1-4, 21.

ZHANG L, Rainfall distributing disciplinarian and variation trend in the Shule river valley [J]. Gansu Water Resources and Hydropower Technology, 2015，51(7)：1-4, 21.

[5]ZHENG C W，ZHUANG H，LI X，et al. Wind energy and wave resources assessment in the east China sea and south China sea [J]. Sci. China Tech. Sci.，2012，55(1)：163-173.

[6]萬勇，張杰, 孟俊敏, 等. 基于ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的OE—W01區(qū)塊波浪能資源評估 [J]. 資源科學(xué)，2014，36(6)：1278-1287.

WAN Y, ZHANG J, MENG J M, et al. Assessment of wave energy resources for the OE-W01 Area based on ERA-Interim reanalysis data [J]. Resources Science, 2014，36(6)：1278-1287.

[7]鄭崇偉. 近45年全球海域波浪能資源研究及等級區(qū)劃 [J]. 亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報，2013，8(1)：18-24.

ZHENG C W. Global oceanic wave energy resources reassessment over the past 45 years based on ERA-40 wave reanalysis [J]. Journal of Subtropical Resources and Environment, 2013，8(1)：18-24.

(責(zé)任編輯 高春萌)

Assessment of Wave Energy Resources in an Offshore Wind Farm of Guangdong

ZHOU Chuan1, HUANG Yajue2

(1. China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China; 2. Pearl River Water Resources Protection Bureau，Guangzhou 510611, China )

Offshore wind farm is abundant of wind resources, which generally results in rich wave energy resources. The third-generation wave model WAVEWATCH-III was used to simulate the wave field data over last fifteen years in an offshore wind farm in Guangdong province. In order to decide the feasibility of the development and utilization of wave energy resources, the wave energy density, frequency of wave energy rank and stability of wave energy density were analyzed by numerical modelling result.

offshore wind farm; WAVEWATCH-III; wave energy resources

2016-02-23

中國能建廣東院科技項(xiàng)目：波浪能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用研究(EV00951W)

周川(1986)，男，江蘇徐州人，工程師，碩士，主要從事水文學(xué)及水資源的工作(e-mail)zhch8691@163.com。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.024

TM619

A

2095-8676(2016)04-0119-04