广东南部海域海洋资源测试分析.pdf-solarbe文库

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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 113°43.287 E～113°42.334 E，北纬 21°54.864 N～21°55.643 N。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 W·h 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 21°56′12.25“N，113°41′ 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. 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[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·