南海海岛的波浪能开发利用研究

2020-12-11冯开健宁光涛黄立毅

工程技术研究 2020年20期

冯开健，宁光涛，黄立毅，方兵

（海南电网有限责任公司电网规划设计研究中心，海南海口 570100）

随着全球经济的发展，人们的生产生活对能源的依赖性愈加强烈。我国虽是资源大国，但能源种类和分布不均匀。加速推进我国能源结构优化，积极开发各类可再生能源并优化其应用模式和效率，对我国经济、社会发展极为重要，也有助于我国提前完成能源战略布局，在未来的全球经济、技术发展中占据战略高位。南海西沙群岛地处我国南部海域，是我国的南大门，在经济和军事上都有举足轻重的作用。西沙群岛一方面面临着岛上资源紧缺，需要运输大量的化石能源满足岛上军民需求的问题；另一方面岛屿四周分布着丰富的绿色可再生波浪能资源。若能在岛屿周围海域开发利用波浪能为海岛供电，就近取能、就地使用，实现岛上能源的自给自足，不仅可加速推进波浪能应用开发的相关技术，还对我国孤立岛屿的经济和国防安全具有重要的意义。

1 波浪能资源开发方法

波浪能资源开发需基于待开发海域的波浪能资源情况，掌握资源总体存储量、可开发的资源量、待开发海域综合情况，进行波浪能开发的科学性分析，具体如下：

（1）海岛用电情况分析。主要是收集海岛的能源现状，包括目前用电的现状及问题所在、能源结构分布，以及预测岛屿长短期规划下所需的发电量。

（2）海岛周边海域综合情况调查与分析。主要是调查海岛周边海域的各项综合环境因素，重点是波浪能发电装置投放位置周边的环境特点。

（3）试验海域的波浪状况数据采集与分析。采集并分析岛屿周边的波浪能情况，统计分析波浪能资源储量及可开发量。

（4）波浪能开发的科学性分析研究。应调查分析海岛周边海域的波浪能开发的经济性，以及开发波浪能对周围海洋环境、生态环境的影响。

2 海岛能源现状及环境资源特点

西沙群岛（Xisha Islands or Paracel Islands，亦称帕拉塞尔群岛）位于南海中部、海南省东南部，是中国南海四大群岛之一，也是中国南海陆地面积最大的群岛。西沙群岛共有22个岛屿、7个沙洲、8座环礁、1座台礁和1座暗礁海滩，陆地总面积约10km2，海岸线长518km。该群岛由永乐群岛和宣德群岛构成，属于热带海洋性季风气候，著名景点有西沙海洋博物馆、收复西沙纪念碑等。

2.1 海岛能源现状

缺电是长期困扰海岛居民的一个问题，不仅电费高，电压还不稳定。早期海岛的用电全部靠柴油及太阳能电池板发电。2013年，海岛原有供电网络由0.4kV改造为10kV。2018年，三沙永兴岛智能微电网建成，是我国首个远海岛屿智能微电网，由柴油发电、光伏、储能等多种能源互补，未来还可以实现波浪能、可移动电源等多种能源的灵活接入。它的建成使永兴岛的供电能力提高8倍，供电稳定性大幅度提高。2019年，南方电网海南三沙供电局永兴岛电网宣联线、达社线两条10千伏线路合环并网投运成功，使海岛供电更加稳定。

2.2 海岛周围环境资源特点

（1）气象。①太阳辐射量大，终年高温，多年平均气温为26.8℃。②水汽来源充足，降水资源十分丰富，但季节分布变化较大。③常风向为NE向，其频率占18%。风向分布具有较为显著的季节性，秋冬季盛行东北季风，春夏盛行偏南风。④热带气旋影响的季节较长，主要集中在6—11月。受热带气旋影响常出现大风天气，极大风速不低于17m/s或最大风速不低于10m/s的发生频率很大，大约占热带气旋影响总数的80%。北礁200km内的热带气旋路径（1945—2011年，15级以上热带气旋或台风）如图1所示。

（2）水文。①潮汐：西沙群岛海域地处南海中部，潮汐性质属于不正规日潮型。岛屿周边海区为弱潮海域，3年月均潮差只有92cm，月最大潮差多年平均只有159.9cm，呈现往复流的特征，最大流速达77.49cm/s。②地形地貌：岛屿周边海域由自然海岸及水上礁盘组成，海岸出露岩性为珊瑚碎屑或贝壳碎屑成分的砾砂及珊瑚礁。

（3）波浪能资源情况分析。根据《中国沿海农村海洋能资源区划》，以年平均波高为指标，西沙群岛附近海域以风浪为主，常年平均波高为1.4m，平均周期为3.5s，最大波高一般为台风产生，可达到8～14m；波向多为偏东北向，强波向主要为WSW向、SSW向，波功率密度约为4.05kW/m，波浪能资源储量丰富，具有较高的开发利用价值。

3 开发波浪能可行性分析

3.1 波浪装置投放综合分析

南海海域地形复杂、地位特殊，在此开展波浪能发电与并网试点项目，需兼顾岛礁周围的自然环境、生态环境和资源保护等问题，同时还需结合岛上相关民用、军事设备分布等因素。鉴于上述因素，波浪能发电装置应该尽量靠近岛上电站，减少对岛屿四周海域生态、资源的影响。

图1 经过北礁200km内的热带气旋路径

3.2 初步经济性分析

根据现阶段波浪能发电技术分析，在南海海域开发波浪能用电成本较其他传统用电成本偏高。但是，综合考虑自然环境、运输周期、碳排放量等隐形因素，以及波浪能发电技术其他可拓展产业应用，用电成本可进一步降低。同时，在南海开发波浪能资源应用，除了普通的用电经济性之外，还具有特殊的战略意义，包括为国家开展前沿技术探索并形成对应技术储备，一旦成熟利用，将降低平台的使用成本，有利于创造更多附加价值。