南海海島的波浪能開發(fā)利用研究

馮開健，寧光濤，黃立毅，方 兵

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心，海南 ?？?570100）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活對(duì)能源的依賴性愈加強(qiáng)烈。我國雖是資源大國，但能源種類和分布不均勻。加速推進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，積極開發(fā)各類可再生能源并優(yōu)化其應(yīng)用模式和效率，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展極為重要，也有助于我國提前完成能源戰(zhàn)略布局，在未來的全球經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展中占據(jù)戰(zhàn)略高位。南海西沙群島地處我國南部海域，是我國的南大門，在經(jīng)濟(jì)和軍事上都有舉足輕重的作用。西沙群島一方面面臨著島上資源緊缺，需要運(yùn)輸大量的化石能源滿足島上軍民需求的問題；另一方面島嶼四周分布著豐富的綠色可再生波浪能資源。若能在島嶼周圍海域開發(fā)利用波浪能為海島供電，就近取能、就地使用，實(shí)現(xiàn)島上能源的自給自足，不僅可加速推進(jìn)波浪能應(yīng)用開發(fā)的相關(guān)技術(shù)，還對(duì)我國孤立島嶼的經(jīng)濟(jì)和國防安全具有重要的意義。

1 波浪能資源開發(fā)方法

波浪能資源開發(fā)需基于待開發(fā)海域的波浪能資源情況，掌握資源總體存儲(chǔ)量、可開發(fā)的資源量、待開發(fā)海域綜合情況，進(jìn)行波浪能開發(fā)的科學(xué)性分析，具體如下：

（1）海島用電情況分析。主要是收集海島的能源現(xiàn)狀，包括目前用電的現(xiàn)狀及問題所在、能源結(jié)構(gòu)分布，以及預(yù)測島嶼長短期規(guī)劃下所需的發(fā)電量。

（2）海島周邊海域綜合情況調(diào)查與分析。主要是調(diào)查海島周邊海域的各項(xiàng)綜合環(huán)境因素，重點(diǎn)是波浪能發(fā)電裝置投放位置周邊的環(huán)境特點(diǎn)。

（3）試驗(yàn)海域的波浪狀況數(shù)據(jù)采集與分析。采集并分析島嶼周邊的波浪能情況，統(tǒng)計(jì)分析波浪能資源儲(chǔ)量及可開發(fā)量。

（4）波浪能開發(fā)的科學(xué)性分析研究。應(yīng)調(diào)查分析海島周邊海域的波浪能開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，以及開發(fā)波浪能對(duì)周圍海洋環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的影響。

2 海島能源現(xiàn)狀及環(huán)境資源特點(diǎn)

西沙群島（Xisha Islands or Paracel Islands，亦稱帕拉塞爾群島）位于南海中部、海南省東南部，是中國南海四大群島之一，也是中國南海陸地面積最大的群島。西沙群島共有22個(gè)島嶼、7個(gè)沙洲、8座環(huán)礁、1座臺(tái)礁和1座暗礁海灘，陸地總面積約10km2，海岸線長518km。該群島由永樂群島和宣德群島構(gòu)成，屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候，著名景點(diǎn)有西沙海洋博物館、收復(fù)西沙紀(jì)念碑等。

2.1 海島能源現(xiàn)狀

缺電是長期困擾海島居民的一個(gè)問題，不僅電費(fèi)高，電壓還不穩(wěn)定。早期海島的用電全部靠柴油及太陽能電池板發(fā)電。2013年，海島原有供電網(wǎng)絡(luò)由0.4kV改造為10kV。2018年，三沙永興島智能微電網(wǎng)建成，是我國首個(gè)遠(yuǎn)海島嶼智能微電網(wǎng)，由柴油發(fā)電、光伏、儲(chǔ)能等多種能源互補(bǔ)，未來還可以實(shí)現(xiàn)波浪能、可移動(dòng)電源等多種能源的靈活接入。它的建成使永興島的供電能力提高8倍，供電穩(wěn)定性大幅度提高。2019年，南方電網(wǎng)海南三沙供電局永興島電網(wǎng)宣聯(lián)線、達(dá)社線兩條10千伏線路合環(huán)并網(wǎng)投運(yùn)成功，使海島供電更加穩(wěn)定。

2.2 海島周圍環(huán)境資源特點(diǎn)

（1）氣象。①太陽輻射量大，終年高溫，多年平均氣溫為26.8℃。②水汽來源充足，降水資源十分豐富，但季節(jié)分布變化較大。③常風(fēng)向?yàn)镹E向，其頻率占18%。風(fēng)向分布具有較為顯著的季節(jié)性，秋冬季盛行東北季風(fēng)，春夏盛行偏南風(fēng)。④熱帶氣旋影響的季節(jié)較長，主要集中在6—11月。受熱帶氣旋影響常出現(xiàn)大風(fēng)天氣，極大風(fēng)速不低于17m/s或最大風(fēng)速不低于10m/s的發(fā)生頻率很大，大約占熱帶氣旋影響總數(shù)的80%。北礁200km內(nèi)的熱帶氣旋路徑（1945—2011年，15級(jí)以上熱帶氣旋或臺(tái)風(fēng)）如圖1所示。

（2）水文。①潮汐：西沙群島海域地處南海中部，潮汐性質(zhì)屬于不正規(guī)日潮型。島嶼周邊海區(qū)為弱潮海域，3年月均潮差只有92cm，月最大潮差多年平均只有159.9cm，呈現(xiàn)往復(fù)流的特征，最大流速達(dá)77.49cm/s。②地形地貌：島嶼周邊海域由自然海岸及水上礁盤組成，海岸出露巖性為珊瑚碎屑或貝殼碎屑成分的礫砂及珊瑚礁。

（3）波浪能資源情況分析。根據(jù)《中國沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃》，以年平均波高為指標(biāo)，西沙群島附近海域以風(fēng)浪為主，常年平均波高為1.4m，平均周期為3.5s，最大波高一般為臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生，可達(dá)到8～14m；波向多為偏東北向，強(qiáng)波向主要為WSW向、SSW向，波功率密度約為4.05kW/m，波浪能資源儲(chǔ)量豐富，具有較高的開發(fā)利用價(jià)值。

3 開發(fā)波浪能可行性分析

3.1 波浪裝置投放綜合分析

南海海域地形復(fù)雜、地位特殊，在此開展波浪能發(fā)電與并網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目，需兼顧島礁周圍的自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和資源保護(hù)等問題，同時(shí)還需結(jié)合島上相關(guān)民用、軍事設(shè)備分布等因素。鑒于上述因素，波浪能發(fā)電裝置應(yīng)該盡量靠近島上電站，減少對(duì)島嶼四周海域生態(tài)、資源的影響。

圖1 經(jīng)過北礁200km內(nèi)的熱帶氣旋路徑

3.2 初步經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)現(xiàn)階段波浪能發(fā)電技術(shù)分析，在南海海域開發(fā)波浪能用電成本較其他傳統(tǒng)用電成本偏高。但是，綜合考慮自然環(huán)境、運(yùn)輸周期、碳排放量等隱形因素，以及波浪能發(fā)電技術(shù)其他可拓展產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，用電成本可進(jìn)一步降低。同時(shí)，在南海開發(fā)波浪能資源應(yīng)用，除了普通的用電經(jīng)濟(jì)性之外，還具有特殊的戰(zhàn)略意義，包括為國家開展前沿技術(shù)探索并形成對(duì)應(yīng)技術(shù)儲(chǔ)備，一旦成熟利用，將降低平臺(tái)的使用成本，有利于創(chuàng)造更多附加價(jià)值。

4 總結(jié)

文章以南海西沙群島為研究目標(biāo)，提出了在海島開發(fā)利用波浪能的方法，分析了島嶼目前的能源現(xiàn)狀及周邊的環(huán)境特點(diǎn)，闡述了在海島開發(fā)波浪能的可行性，可知海島處于波浪能資源較豐富的區(qū)域，可利用和開發(fā)潛力巨大，因此開發(fā)利用波浪能技術(shù)具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。