广东南部海域海洋资源测试分析.pdf

0 引言 海上试验作为海洋可再生能源装置从工程样 机走向规模化应用的关键环节 ，对于提高装置转 换效率 、环境适应性和可靠性 、实现技术实用化 ， 具有十分重要的意义 [1]，[2] 。 近年来 ，各国都在开始 建设公共的海上测试场 [3] ，一方面为海上技术装 备的研发 、测试与评价等提供科学有效的试验环 境 ，获取长期连续的 、要素齐全的观测资料 [4] ，另 一方面为海洋观测监测方法研究 、海洋仪器检测 试验等科学活动提供技术服务平台 [5] 。 据统计 ，世 界范围内己建成的海上测试场超过 10 座 [6] 。 2010 年 ，我国在广东省珠海市大万山岛南侧建成第一 座波浪能海上测试场 。 在建设波浪能测试场过程 中 ，为了便于建设与运营 ，降低成本 ，须坚持四项 原则 地理位置适中原则 、资源条件良好原则 、自 然环境适宜原则 、社会保障条件良好原则 。 其中 ， 自然环境适宜原则 ，要求考虑风 、浪 、流 、温 、盐 、密 等对波浪能测试场的建设与运营影响较大的因 素 。 因此 ，在确定波浪能测试场的具体位置之 前 [7] ，必须对规划试验海域的海洋资源进行调查 与评估 [8] ，确保该区域自然环境良好 ，便于海上测 试场正常建设与运营 [1] 。 本文介绍了大万山波浪能测试场的基本情 况 ， 在规划测试场海域内采用水文测试仪器对该 海域的风能 、波浪能 、海流能 、温度等资源进行科 学 、合理 、全面的测试 ，获得了大量的数据资料 ，通 过统计 ， 对大万山波浪能测试场的自然环境资源 进行初步分析 。 1 测试场基本情况 珠海大万山岛是我国海洋能资源最丰富的海 域之一 [9] 。 大万山岛全年主要风力为秋冬春三季 的东北季风和夏季的西南季风 。 大万山岛北侧有 白沥岛 ，西侧有小万山岛 ，东南侧 15 km 有庙湾岛 和北尖岛 。 整个岛屿受到东北 、东 、东南 、南 、西南 各方向的浪 ， 而大万山岛南侧则是各方向的波浪 均可抵达的唯一点 ，全年均具有最好的海浪 ，符合 拟选测试区和示范区的要求 海域应具有良好均 匀的波浪 ，开阔平整的海底 ，非航区 、非渔区 、无用 海冲突 。 根据 中国海洋可再生能源发展年度报告 （2013 年 ）， 规划在广东省珠海市大万山岛南侧 建设 3 个海洋能发电测试泊位 、6 个海洋能发电 示范泊位 、陆上储能升压站和测控站 ，样机可以方 便的进行海上试验与测试 ， 站位通过海底电缆连 接到陆地变电站 。同时 ，该测试场拥有较好的监视 监测系统 ，可以实时监测海洋水文以及气象环境 。 站区坐标 东经 11343.287E～11342.334E，北纬 2154.864N～2155.643N。 收稿日期 2017-08-14。 基金项目 中国科学院战略性先导科技专项 A 类资助 （XDA13040201）；国家自然科学基金青年基金 （41406102）； 国家海洋可再生能源专项资金项目 （GHME2016YY01）。 作者简介 张亚群 （1981-），女 ，博士 ，副研究员 ，主要从事海洋波浪能转换研究工作 。 E-mailzhangyqms.giec.ac.cn 广东南部海域海洋资源测试分析 张亚群 1，2，3 ， 姜家强 1，2，3 ， 盛松伟 1，2，3 ， 游亚戈 1，2，3 ， 王坤林 1，2，3 （1.中国科学院 广州能源研究所 ， 广东 广州 510640； 2.中国科学院 可再生能源重点实验室 ， 广东 广州 510640； 3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室 ， 广东 广州 510640） 摘 要 海洋能资源的调查与评估是建设波浪能测试场的前期重要工作 。 通过对广东省南部大万山波浪能测 试场海洋资源进行测试 ，统计了测试期间潮差 、风 、波浪 、流各种海洋能资源的数据 ，分析了大万山海域的海洋 能资源分布状况 。 结果表明 大万山海域平均潮差为 0.927 m；风速平均值为 4.23 m/s，平均风能密度为 23.28 W/m 2 ；波高为 0.31.8 m，周期为 2.78 s，能流密度均值为 2.2 kW/m；流速最大值为 0.44 m/s，能流密度均值为 24.11 W/m 2 。 大万山波浪能测试场的海洋能资源调查结果 ，为进行示范场区域的规划设计 ，对进场实海况测试 的波浪能装置设计 、投放 、运行 、管理 ，提供参考依据 。 关键词 波浪能示范场 ； 海洋能 ； 波浪能装置 ； 能流密度 ； 大万山海域 中图分类号 TK79； O325 文献标志码 A 文章编号 1671-5292（2018）10-1567-07 可再生能源 Renewable Energy Resources 第 36 卷 第 10 期 2018 年 10 月 Vol.36 No.10 Oct. 2018 1567 DOI10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2018.10.024 2 测试系统 2.1 测试工具 目前 ， 测试海洋能资源数据的仪器设备有资 料浮标 、水压式波浪计 、重力式测波仪 、遥感测波 仪以及声学式测波仪等 。测量流的仪器有流速仪 。 测量风速风向的仪器有风速仪 。 浪龙 （AWAC）是一种声学式测波仪 ，小巧 、坚 固 ，可以在恶劣条件下常年观测有向波谱 、流速剖 面 、潮位 ，如图 1 所示 。 AWAC 外壳使用工程塑料 或钦合金以避免腐蚀 。AWAC 有 3 种频率 （1 MHz/ 600 kHz/400 kHz）产品可供选择 ，适用于不同的投 放深度 。 AWAC 通常安装在水底安装架上 ，从而 避免恶劣天气 、 人为因素和过往船只对其造成不 必要的损伤 。储存方式既有自容式 ，也可以实时在 线 。自容方式使用外置电池仓 ，原始数据存储在内 部存储器 ，最长布放时间达 1 a。 基于本次测试的环境和要求 ， 选择 600 kHz 浪龙作为测试工具 。该浪龙含有 4 个波束 ，内部存 储空间为 4 G，配置有温度传感器 、压力传感器 、 上下自动识别的双向罗盘 、倾斜仪 ，电池采用电压 为 12 V、容量为 1 800 Wh 的锂电池包 。 采用自 制的安装架 ， 将浪龙安装在中心位置 ， 保证向上 120 扫描角无障碍 ，如图 2 所示 。 RM.Young 05106 型风速仪如图 3 所示 ，安装 于离海平面垂直高度 10 m 处 。风速仪由一个四桨 叶螺旋桨构成 ， 螺旋桨旋转产生一个频率与风速 值成正比的交流正弦信号 。 2.2 测试时间及地点 鉴于海上施工及天气原因 ，浪龙在 2016 年 6 月 7 日投放 ，6 月 25 日回收 ，共进行连续 428 h 的 测试 。 投放地点选在大万山波浪能示范场测试区 C2 中 ，坐标为 2156′12.25“N，11341′ 29.15“E，该 海域已有鹰式波浪能装置 “万山号 ”进行了实海况 试验 ，具体位置如图 4 所示 。 2.3 测试内容 ①潮差 潮位变化 。 ②风 测试海域海面的风速风向 ，每 1 h 记录 图 4 浪龙投放地点 Fig.4 The position of dropping the AWAC 图 1 浪龙示意图 Fig.1 Schematic diagram of an AWAC 图 2 投放中的浪龙 Fig.2 An AWAC in dropping 图 3 风速仪 Fig.3 Anemomieter （a）卫星图 （b）示范场布置图 浪 龙 测试区 3100 kW 波浪能装置 示范区 6100 kW 波浪能装置 C01 C02 C03 S01 S02 S04 S03 S05 S06 测试区 示 范 区 岸区 可再生能源 2018，36（10） 1568 一 次数据 。 ③波浪 测试海域的波浪参数 。 包括 H s （有效 波高 ）、H 10 （1/10 波高 ）、H max （最大波高 ）、平均波 高 、峰值周期 、平均周期 、最大周期 、峰值方向 、平 均压力 、波谱 、谱的方向 。 ④潮流 某个剖面的流速曲线 、流速 、流向 。 3 数据采集及处理分析 3.1 测试时间密度 根据浪龙自身的性能特点 ， 设置浪龙可持续 工作时间为 100 d，所有数据均采用自容式数据存 储方式 。 采集数据时间设置 ①波浪每 1 h 采集一 次 ，每次连续采集 17 min，采集频率为 1 Hz；②流 每 10 min 采集一次 ，每次连续采集 1 min，采集频 率为 1 Hz， 采集的范围为海底以上 2 m 至海平 面 ，每隔 1 m 的垂直距离采集一个点 。 3.2 风 、浪 、流能量统计 风能的大小实际就是气流流过的动能 ， 单位 时间内垂直通过单位面积的风能计算式为 W0.5ρv w 3 （1） 式中 ρ 为空气密度 ，kg/m 3 ；v w 为风速 ，m/s。 按照美国 EPRI （Electric Power Research In- stitute）波浪资源评估公式计算波浪能流密度 。 P w 0.42H s 2 T p ≈0.5H s 2 T （2） 式中 P w 为单位波峰宽度的波浪能流密度 ，kW/m； T 为平均周期 ，s；T p 为谱峰周期 ，T p 1.2T，s。 由于潮流能总是经由某个过流面来开发利用 的 ，能流密度的计算式为 P0.5ρ c v c 3 （3） 式中 ρ c 为海水密度 ，kg/m 3 ；v c 为潮流流速 ，m/s。 3.3 测试结果及分析 3.3.1 潮差能 大万山海域潮汐特性系数约为 1.5，属不规则 半日混合潮型 。 在一个月内有一半以上的日期一 天有两次高潮和两次低潮 ， 且相邻高潮不等现象 较显著 。 大潮出现于朔 、望之后 12 d；小潮出现 于上 、下弦之后 12 d。 本海域属弱潮区 ，潮差相 对较小 ， 图 5 所示为浪龙测试到的潮位随时域变 化的曲线 。 图 5 中数据表示浪龙顶部离海平面的 距离随时间的变化 ， 即实际水深为测试水深与浪 龙离海底高度之和 。 由于大万山海域海底为沙质 土壤 ， 地势平坦 ， 浪龙安装架可以平稳安放于海 底 ，设计的浪龙安装架高度 1 m 为浪龙实际离海 底的高度 。 图中水深均值为 20.48 m，则实际浪龙 投放地点的平均水深为 21.48 m。以浪龙投放地点 的平均水深为基准 ，最高潮位为 1.128 m，最低潮 位为 1.145 m， 平均潮差为 0.927m， 最大潮差为 2.273 m。 3.3.2 风能 大万山群岛各方位累年最大风速中以 ESE 向风速最大 ， 为 44.0 m/s；NNE 和 E 向风速次之 ， 为 42.0 m/s；NW 向风速最小 ，为 22.8 m/s。 累年年 平均 ≥6 级风 （最大风速 ≥10.8 m/s）日数为 140.9 d，累年年平均 ≥7 级风 （最大风速 ≥13.9 m/s）日 数为 46.6 d， 累年年平均 ≥8 级风 （最大风速 ≥ 17.2 m/s）日数为 9.4 d。 图 6 为测试期间距离海平面高 10 m 处的风 图 5 潮位数据 Fig.5 Data of tidal 0 100 200 300 400 500 时间 /h 19 20 21 22 潮 位 / m 图 6 风的数据 Fig.6 Data of wind 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 5 风 速 / m s - 1 10 15 20 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 300 风 能 密 度 / W m - 2 600 900 1200 1500 张亚群 ，等 广东南部海域海洋资源测试分析 1569 速 和根据式 （1）计算得到的风能密度 。从图上可看 出 风速主要为 15 m/s， 对应的风能密度为 0 200 W/m 2 ； 在投放 124 h 时 ， 风速达到最大值为 12.44 m/s，风能密度最大值为 1 241.71 W/m 2 ；测试 期间平均风速为 4.23 m/s，平均风能密度为 23.28 W/m 2 。 3.3.3 波浪能 大万山海域海浪以涌浪为主 。 常浪向为 SE， 出现频率为 40.4％，次常浪向为 ESE，出现频率为 31.0％， 全 年 出 现 在 ESES 向的频率之和为 88.1％。 本海区波高 （H 1/10 ）≥0.5 m，＜1.5 m 的浪为 常见浪 , 出现频率占各级总频率的 75.8％。 H 1/10 ＜ 0.5 m 及 ＞3.0 m 的波浪出现频率较小 。 图 7 为测试期间的波浪数据 。 图 7（a）（f）为 波浪的波高及周期数据 。通过数据统计 ，波浪的有 义波高为 0.31.8 m，平均波高为 0.21.1 m，最大 波高为 0.473.0 m。 最大 、最小有义波高分别出 现在测试开始后 209 h，315 h， 最大波高出现在 测试开始后 209.5 h，平均波高最大值 、最小值分 别出现在测试开始后 209 h，318.5 h。波浪的谱峰 周期为 2.78 s，平均周期为 2.584.95 s，最大周 期为 2.58 s。 最大 、最小谱峰周期分别出现在测 试开始后 309 h，331 h， 最大周期出现在测试开 始后 127 h， 平均周期最大值出现在测试开始后 225.5 h。 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 0.5 有 义 波 高 / m 1 1.5 2 （a）有义波高 0 100 200 300 400 500 时间 /h 2 3 谱 峰 周 期 / s 4 5 6 7 8 （ b）谱峰周期 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 0.5 平 均 波 高 / m 1 1.5 （c）平均波高 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 1 平 均 周 期 / s 2 3 4 5 6 （d）平均周期 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 0.5 最 大 波 高 / m 1 3.5 1.5 2 2.5 3 （e）最大波高 0 100 200 300 400 500 时间 /h 2 3 最 大 周 期 / s 4 5 6 7 8 （f）最大周期 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 5 波 浪 能 流 密 度 / k W m - 1 10 15 （g）波浪能流密度 可再生能源 2018，36（10） 1570 图 7（g）为通过测试数据 ，根据式 （2）计算得 到的单位宽度波浪的能流密度 。 在测试开始后 110210 h， 能流密度较高 ，207 h 时最大值达到 9.02 kW/m，此时有义波高为 1.74 m，谱峰周期为 7.09 s；335 h 时最小值达到 0.183 kW/m，此时有义 波高为 0.37 m，谱峰周期为 3.19 s。 测试期内能流 密度均值为 2.2 kW/m。 图 7（h）为最大波高的来浪方向 ，图中显示 ， 测试期前 2/3 时间大浪来自正南方向 ， 后 1/3 时 间大部分的大浪来自南偏东 10 左右 ，约占 20 h。 图 7（i）为波浪的平均方向 ，基本为正南向 。 3.3.4 潮流能 根据资料显示 大万山海域涨潮的最大流速 为 31～70 cm/s，对应流向以 WNW～NNW 向为主 ， 最大能流密度为 15.34176.61 W/m 2 ；落潮的最大 流速为 27～108 cm/s，对应流向以 E～SSE 向为主 ， 最大能流密度为 10.14648.72 W/m 2 。 图 8 为流速 的测试值 。 图 8（a）（c）分别为波面的流向 、流速 ，以及 根据式 （3）计算得到的流的能流密度 。在测试开始 后 6.5 h 波面流速最大值为 0.52 m/s，对应的流的 能流密度最大值为 72.41 W/m 2 。 在测试开始后 138 h 波面流速最小值为 0 m/s，对应的流的能流 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 20 波 面 流 能 流 密 度 / W m - 2 40 60 （c）波面流能流密度 80 图 7 波浪数据 Fig.7 Data of wave 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 90 波 浪 峰 值 频 率 方 向 / （ ） 180 270 （h）波浪峰值频率方向 360 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 90波 浪 平 均 方 向 / （ ） 180 270 （i）波浪平均方向 360 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 90 波 面 流 向 / （ ） 180 270 （a）波面流向 360 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 0.2 波 面 流 速 / m s - 1 0.4 0.6 （b）波面流速 0.8 1 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 0.1 距 海 底 2 m 水 面 流 速 / m s - 1 0.2 0.3 （d）距海底 2 m 水面流速 0.4 0.5 0 100 200 300 400 500 时间 /h 0 5 距 海 底 2 m 流 能 流 密 度 / W m - 2 10 15 （e）距海底 2 m 流能流密度 20 25 30 张亚群 ，等 广东南部海域海洋资源测试分析 1571 密 度最小值为 0 W/m 2 。 波面流速均值为 0.12 m/s， 对应的流的能流密度均值为 2.38 W/m 2 。受波面水 质点运动的影响 ，波面流向在 0360 呈周期性的 频繁变化 。 图 8（d）（e）分别为距离海底 2 m 横剖面不 同时刻的流速 、流的能流密度 。 当流速为 00.2 m/s 时 ，流的能流密度为 024.03 W/m 2 ，曲线呈周 期性往复振荡 ，平均流速为 0.11 m/s，平均能流密 度为 1.36 W/m 2 。 图 8 （f），（g） 分别为同一时刻不同水深的流 速 、 流的能流密度 。 测试开始后 8.3 h， 流速为 0.270.44 m/s，能流密度为 10.1443.87 W/m 2 。 最 大流速出现在距离海底 14 m 处 ，流速为 0.44 m/s，能流密度为 43.87 W/m 2 ；第二大流速出现在 距离海底 5 m，13 m 处 ，流速为 0.41 m/s，能流密 度为 35.49 W/m 2 ； 最小流速出现在距离海底 8 m 处 ，流速为 0.27 m/s，能流密度为 10.14 W/m 2 。整个 纵剖面的平均流速为 0.35 m/s， 平均能流密度为 24.11 W/m 2 。 4 结论 本文根据测试获得的数据 ， 对大万山波浪能 示范场测试期内的海洋能资源总结如下 。 ①大万山海域坐标位置的潮差能不丰富 ，平 均潮差仅为 0.927 m。 测试期间 ，该海域的平均风 速为 34 级 ，平均风能密度偏小 。 流的能流密度 在空间和时间上均分布不均匀 ，距离海底 14 m 处 流速和能流密度最大 。 ②测试期内 ，波浪能流密度分布不均匀 ，波浪 资源较丰富的时期为 6 月中旬前半期 。 波高为 0.33 m，周期为 2.78 s，浪向以正南向为主 。小于 0.5 kW/m 的低能流密度时间占 19.37， 在 0.5 1.0 kW/m 内的频率占 25.2， 高于 5 kW/m 的能 流密度时间占 14.94。 ③由于测试持续时间较短 ， 未能对整个示范 场的海洋能资源进行整年的分析 。 本次测试的结果对将在该示范场进行实海况 试验的波浪能装置或其他海洋工程设备提供设计 参考依据 。 今后将对更多种海洋气象资源进行长 期持续测试 ， 以便于全面掌握该示范场的数据资 料 。 参考文献 [1] 石洪源 .波浪能 、潮流能海上测试场选址研究 [D].青 岛 中国海洋大学 ，2013. [2] 钟耀 ，孙莉 ，刘功鹏 .某波浪能与潮流能海上测试场总 体布置设计 [J].水力发电 ，2013（11）91-93. [3] 罗续业 ，王项南 ，周毅 ，等 .我国海上试验场建设总体 设想 [J].海洋技术 ，2010，29（4）1-3. [4] 刘功鹏 ，孙晓娟 ，周凯 .波浪能与潮流能海上测试场场 址选择研究 [J].水电与新能源 ，2015（11）75-78. [5] 李彦 ，罗续业 ，路宽 .潮流能 、波浪能海上试验与测试 场建设主要问题分析 [J].海洋开发与管理 ，2013（2） 36-39. [6] EMEC. Assessment of Performance of Tidal Energy Conversion Systems [M].UKThe European Marine Energy Centre Ltd，2009. [7] 郑友华 ，郑崇伟 ，李训强 ，等 .基于 ICOADS 海浪资料 的全球海域波浪能研究 [J].可再生能源 ，2011，29（5） 108-112. [8] 周凯 ，汪睿 .山东半岛近海波浪能资源状况初步分析 [J].水力发电 ，2013（11）94-99. [9] 谭辉平 .广东可再生能源利用及发展研究 [J].可再生能 源 ，2003，21（6）55-57. 图 8 潮流数据 Fig.8 Data of current 0 5 10 15 20 25 水深 /m 0 10 剖 面 流 能 流 密 度 / W m - 2 20 30 （g）剖面流能流密度 30 40 50 0 0.2 剖 面 流 速 / m s - 1 0.4 0.6 （f）剖面流速 0.8 0 5 10 15 20 25 水深 /m 可再生能源 2018，36（10） 1572 Survey on marine energy resource of south marine in Guangdong Zhang Yaqun 1，2，3 ， Jiang Jiaqiang 1，2，3 ， Sheng Songwei 1，2，3 ， You Yage 1，2，3 ， Wang Kunlin 1，2，3 （1.Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China； 2.CAS Key Laboratory of Renewable Energy， Guangzhou 510640， China； 3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development， Guangzhou 510640， China） Abstract The survey and evaluation of marine energy resources during the construction of wave energy demonstration field is an important work in the early stage. This paper analyzes the distribution of ocean energy resources in Dawanshan ocean area, through real sea testing of the tidal, wind, wave and current. Analysis shows as follows 0.927 m of average tidal value, 4.23 m/s of average wind speed, 0.3 m to 1.8 m of wave height and 2.7 s to 8 s of wave period, 0.44 m/s of max current speed. Besides, wind energy density gets up to 23.28 W/m 2 , average wave energy density achieves 2.2 kW/m, and the average value of current energy density is up to 24.11 W/m 2 . The results is helpful for planning the demonstration area, also give references for the design, delivery, operation and management of wave energy converters. Key words wave energy demonstration field； marine energy； wave energy converter； energy density； Da Wanshan sea area 张亚群 ，等 广东南部海域海洋资源测试分析 1573