永兴岛能源现状及波浪能资源初步评估

彭 伟，荀有为，张继生，董国海

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098)

随着三沙市的设立、“海洋强国”以及21世纪“海上丝绸之路”建设战略的提出，我国南海海域的建设和发展受到了广泛的关注。但在远离陆地、自然环境恶劣的南海诸岛进行建设与开发受到诸多因素的限制，第一位的便是能源问题。以永兴岛为例，其距离三亚约340 km，目前岛上供电主要依靠柴油机和光伏发电，仅初步解决了岛上居民用电的问题，缺电缺水仍是海岛居民面临的一大难题。同时，从持续发展和战略战术的角度来看，随着永兴岛的不断建设和发展，现有供电设施必然难以满足岛内日益增加的用电需求。

根据国家海洋局908专项《我国近海海洋综合调查与评价》调查报告[1]，海南省西沙群岛等南海诸岛附近波浪较大，波能流密度较高，技术可开发装机容量约为4.2×106kW，是我国波浪能资源开发条件较好的地区之一。由此，在西沙永兴岛海域进行波浪能资源开发利用是完善三沙市能源结构体系、提升其发电能力的重要举措，具有重大意义。然而，目前针对西沙永兴岛这类远海岛礁的能源供给方案仍在探索之中，目前已经公开发表的永兴岛能源现状文献较少，尚未见针对永兴岛波浪能资源评估相关的公开资料。由此，本文针对永兴岛产业及其能源结构进行调查和分析，讨论其经济建设发展所存在的能源问题。进一步地，论述永兴岛波浪能资源的突出优势和开发利用的广阔前景，并采用数值模型对永兴岛波浪能资源进行初步的计算评估，为相关工程和技术开发提供数据参考。

1 永兴岛能源现状及主要问题

永兴岛作为三沙市政府所在地，是西沙、南沙、中沙三个群岛的政治、军事、经济中心，在南海的战略地位十分重要。2012年7月，三沙市正式挂牌成立，同年8月，南方电网三沙供电局成立。然而，尽管岛上能源供应现状比起三沙建市前已经有了很大的改善，还是存在着很大的隐患，现有的能源供应系统难以满足永兴岛、三沙市未来的跨越式发展。

目前来看，永兴岛能源供应主要存在两方面问题。首先，在能源总量方面，根据现有资料估算全岛发电总装机容量约为3 000 kW，日发电量可满足900户居民1 500个岛民使用，基本满足生产生活需求。但根据永兴岛规划，渔业以及未来的旅游业将是岛上的支柱产业。随着渔业不断发展，必将对冷库容量、制冰能力提出更高的要求，对电能供应能力也将是巨大的考验。根据有关资料，西沙开发开放后永兴岛对电力的总体需求预计至少应在5 000 kW以上。其次，岛上现有的主要发电方式(柴油机组以及光伏)存在不少固有弊端，在海岛环境存在“水土不服”的现象。对于柴油机组，其主要缺点有：①燃料成本高；②需定时切换；③环境污染严重；④机组自身散热较高；⑤燃料存放的安全和污染隐患。对于光伏发电，其缺点包括：①间歇性工作，不连续；②系统成本高；③占地面积大；④“高温、高湿、高盐雾”环境下易受腐蚀；⑤安装位置高，易受台风影响。

2 永兴岛波浪能资源分析

永兴岛所处的西沙海域是我国波浪能资源开发条件较好的地区之一，根据郑崇伟和李训强[2]的计算资料，我国南海波浪能年均值约4～20 kW/m，且大部分海域能流密度变异系数在0.4以内，稳定性较好，利于开发利用。因而，在永兴岛海域开发波浪能资源，用于补充岛上的能源供应是一个前景较为乐观的思路，本节将对永兴岛波浪能资源进行初步评估和计算。

2.1 波浪数学模型

本文波浪能资源评估数学模型采用TOMAWAC波浪模型[3，4]，该模型是在总结历年来波浪能量输入、损耗及转换的研究成果的基础上提出并发展的，模型全面合理地考虑了波浪浅化、折射、绕射、反射、底摩擦、破碎、白浪、风能输入以及波浪非线性效应。TOMAWAC以二维动谱密度表示随机波，动谱密度N(σ，θ)与能谱密度E(σ，θ)之间关系为N(σ，θ)=E(σ，θ)/σ。

在笛卡尔坐标系下，动谱平衡方程可表示为

(1)

式中，N为动谱密度；C为系数；σ为频率；θ为角度；方程左边第二和第三项表示动谱密度在地理坐标空间x、y方向上的传播；第四项表示由于流场和水深所引起的动谱密度在相对频率σ空间的变化；第五项表示动谱密度在谱分布方向θ空间的传播，亦即水深及流场而引起的折射；方程右边的S代表以谱密度表示的源汇项，包括风能输入、白浪、破碎、海底摩擦、波—波非线性相互作用等物理过程。TOMAWAC波浪模型对能量输入、耗散和非线性波波相互作用等物理过程都进行了相应的处理和模拟，具体方法参见文献[4]。

2.2 数值模型的建立与验证

本文波浪数据库基于波浪谱模型TOMAWAC的计算结果，风场采用CFSR&CFSV2再分析风场，模拟地形采用GEBCO全球高分辨率水深数据，计算模型采用非结构化三角形网格，网格划分和计算步长等计算参数请见文献[4]。值得注意的是，在本文的模型计算中，鉴于永兴岛周围高分辨率地形资料较难获得，本论文仅在大尺度网格下进行计算，波浪能资源的计算和评估也是基于大尺度模型计算的结果，整体评估结果对比实际情况会有一定的偏差，但也具有一定的参考意义。更高精度的永兴岛局部网格加密模拟计算无疑是更有吸引力的，在后续的研究中，也是作者要努力收集资料、计算分析的重点。模型计算结果可采用中国近海波浪观测站数据资料进行验证，例如海南岛附近海域东方站、广西涠洲岛测站和福建平潭测站等，详细的模型验证过程见文献[4]。

2.3 永兴岛波浪能资源数值评估

本文对永兴岛附近海域1997年～2016年20年间的波浪场进行模拟计算，对各个月份波浪的有效波高、波向和平均周期资料进行整理分析，提取以上参数的月均值，绘制成图1和图2。图中，三角形代表20年同一个月的参数月均值的平均，正方形和圆形分别代表20年各个月的参数月均值的最大值和最小值。以图1中的1月份为例，1月份的有效波高月均值的最大值出现在2009年，约为3 m，而最小值出现在2011年，约为1.35 m。由图1可知，月平均有效波高在0.72～3.74 m之间，变化幅度较大，从10月份到次年的2月份，各年间月平均有效波高变动尤为剧烈，有效波高年间相同月的均值在2.0 m以上。与之相对地，4月到8月间，各年间月平均有效波高变动相对较小，同时有效波高的年间均值也较小，在1.0 m左右。这一特点说明对永兴岛附近海域来说，4月到8月的海上波浪条件较为平和，有利于海上作业以及其他生产活动。由图2可知，月平均周期在4.35～8.65 s之间，变动范围随月份的不同有所变化，总体的变动趋势和有效波高类似，在秋冬季节平均周期较大，在5、6月份，平均周期最小。相对我国近海的平均周期(5 s左右)来说，永兴岛附近海域的平均周期更长，这是因为永兴岛远离大陆深入大洋，波浪受地形影响较小，波浪衰减也较少，波周期受大洋传播来的长周期波浪影响较大。

图1 永兴岛附近海域月均有效波高变化

图2 永兴岛附近海域月均平均周期变化

进一步地，考虑到波高-周期之间的联合分布规律对于波能转化装置的选型及锚泊系统的设计都具有一定的工程价值，本文研究了永兴岛附近海域HS-Tm的相关分布关系，并统计了波浪的方向性分布，通过对上述分布的研究，明确了目标海域波高、周期的集中分布范围及波向随季节变化的规律。首先，考虑有效波高-平均周期间的联合分布，计算各个波高、周期范围的波浪出现的频率，结果如图3所示。其中，横坐标为平均周期，纵坐标为有效波高，图中的数字代表相应波浪在整个波浪序列中所占的百分数(%)。以图中横坐标为5，纵坐标为1.0对应的12.62为例，其表示平均周期在4.5～5.5 s之间，同时有效波高在0.5～1.0 m之间的波浪在20年间所有波浪中占的比例是12.62%。由图3可知，平均周期4.5～7.5 s，有效波高0.5～1.5 m之间的波浪所占百分比最高，约为20年全体波序列的60%。该图能够直观地给出不同的波浪在全体波浪序列中的百分比，根据该表可以得出目标海域波浪组成的基本特性，明确各波级及周期段波浪在该海域的出现频率，可为波能发电场建设提供相关荷载依据。其次，图4表示了春、夏、秋、冬四个季节波浪的有效波高和波向的分布规律，其中波向定义为来波的方向，同时还给出了各个波高范围的波浪在各个季节全体波浪序列中的百分比。由该波浪玫瑰图4可以看出，在波浪能资源较为丰富的秋冬季节，永兴岛海域受东北季风影响显著，NE～ENE方向波浪所占比重较大，超过70%；夏季则受反方向的季风影响，S～SSW方向波浪所占比重达到62%。由图4中波高分布占比数据也可以看出，秋冬季有效波高较高的波浪要明显多于春夏两季，这和前面的月均有效波高的讨论结果是相一致的。从全年的波浪资料来看，永兴岛附近海域常浪向为ENE，20年资料中ENE波向占比36.1%，次浪向为NE，占比17.7%，第三位是SSW向，占比为13.9%。因此，从波向来看，永兴岛附近海域来波方向较为集中，为NE～ENE方向，SSW向波浪虽然占比不小，但是有效波高较小，可以判断永兴岛附近海域大波方向较为一致，有利于波浪能的收集和开发。

图3 有效波高HS与平均周期Tm的联合分布

图4 永兴岛附近海域各季节有效波高及波向分布的玫瑰示意

最后，对永兴岛附近海域的波能流密度进行统计分析。本文采用美国EPRI (Electric Power Research Institute)波浪能公式对永兴岛附近海域波能流密度进行评估[5]。单宽波峰的波能流计算公式为

(2)

式中，HS为1/3大波平均值；TP为谱峰周期，TP=1.2×Tm，其中,Tm为平均周期。

图5 永兴岛附近海域月均波能流密度

根据数值模拟计算20年波浪资料得到有效波高和平均周期，进而应用公式(2)计算波能流密度。进一步地，可以分析各年相同月份的波能流密度的变化，也可以计算月均波能流密度，结果如图5所示。由图5可见，永兴岛附近海域秋冬季受季风的影响，是波能最为丰富的季节，波能流密度远高于春夏两季。月均波能流密度最大值出现在12月，其年间月均波能流密度的平均值可达34.9 kW/m，而最小值出现在4月，为3.53 kW/m。同时，4月波能流密度年间变化较小，说明此时间段比较适合波浪能装置的海上安装和施工，而10月份到次年的1月份，波能流密度变化较大，从安全的角度考虑，不利于装置的安装、测试和维护。进一步地，利用图中数据可以计算20年的波能流密度年均值，约为14.6 kW/m，对比我国大陆沿岸2～7 kW/m的波能流密度来说[1]，永兴岛附近海域在波浪能资源密度上处于相对较高的水平。

另外，在波浪能资源密度的评估分析中，不同能级出现的频率是衡量波浪能资源丰富与否的一个重要指标。一般来说，能流密度大于2 kW/m时便可判断为波浪能资源可以利用，而能流密度大于20 kW/m的海域便可认定为波浪能资源的富集区，例如欧洲的北海海域[2]。由此，针对永兴岛附近海域1997年1月～2016年12月波浪模拟的结果，对该区域的波能流密度进行统计分析，得到波能流密度的频率累计曲线如图6所示。由图6可见，该位置处的波能流密度主要集中在 0.5～120 kW/m 的范围，其中1～20 kW/m 最为集中，20年间约有75%的时间波能流密度大于2 kW/m，约有15%的时间波能流密度大于20 kW/m。由此可知，永兴岛附近海域波浪能资源较为丰富，时空分布特征有利于波浪能的开发和利用，为永兴岛的开发提供了潜在的清洁能源来源。

图6 波能流密度频率累计曲线

3 结论与展望

本文以西沙群岛中的永兴岛为研究目标，分析了其当下能源供给的现状及存在的问题，对永兴岛附近海域可供开发的海洋可再生能源从储量、开发难易程度方面进行了比较分析。更重要地，采用TOMAWAC波浪模型对包含永兴岛在内的大范围海域进行了波浪模拟研究，利用模拟计算数据对永兴岛附近海域的波浪条件和波浪能分布规律进行分析，结论如下:

(1)永兴岛附近海域的波浪呈现明显的季节性分布，冬季的有效波高及平均周期都较大，而夏季则较小。有效波高月平均值分布在0.72～3.74 m之间，平均周期的月平均值分布在4.35～8.65 s之间，二者在秋冬季年间变化波动较大，夏季相对稳定，这一特点可以为保障海上作业以及其他生产活动的安全提供参考。

(2)考虑波高-周期之间的联合分布，结果表明平均周期4.5～7.5 s，有效波高0.5～1.5 m之间的波浪所占百分比最高，约为20年全体波序列的60%。而从波向上来看，永兴岛附近海域常浪向为NE～ENE，20年资料中占比53.8%，且有效波高较高，因此可以判断永兴岛附近海域大波方向较为一致，有利于波浪能的收集和开发。

(3)永兴岛附近海域波能流密度20年均值为14.6 kW/m，秋冬季受季风的影响，是波能最为丰富的季节，波能流密度远高于春夏两季。根据波能流密度频率累计曲线可知，20年间约有75%的时间波能流密度大于2 kW/m，约有15%的时间波能流密度大于20 kW/m。由此可知永兴岛附近海域蕴藏着较为丰富的、适宜开发的波浪能资源，而夏季由于波浪能流密度较低且稳定，是进行海上施工、设备安装和测试较好的时间窗口。