永興島溫差能評(píng)估及電站選址分析

收稿日期：2022-09-15

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年基金（41606042）

通信作者：周春艷（1985—），女，博士、副教授，主要從事海洋可再生能源方面的研究。cyzhou@hhu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1402 文章編號(hào)：0254-0096（2023）12-0401-09

摘 要：基于NOAA WOA 2018數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)，用Nihous方法評(píng)估2005—2017年南海、西沙群島海域以及1955—2017年永興島海域溫差能資源儲(chǔ)量，分析溫差能資源的時(shí)空變化特點(diǎn)。為符合永興島溫差能電站選址要求，對(duì)永興島周邊海域溫差能資源分布和水深條件進(jìn)行更具體的分析，選出8個(gè)溫差能發(fā)電潛在站址，再結(jié)合溫差能凈功率、離岸距離及水深等因素，找出相對(duì)更適宜的4個(gè)站址，并對(duì)這些站址溫差能發(fā)電的凈功率年際變化加以分析。

關(guān)鍵詞：海洋溫差能；資源評(píng)估；永興島；溫差能電站選址

中圖分類號(hào)：P743"""""""" """""""""""""""""" """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著全球工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全球化石能源污染問題日漸嚴(yán)重，各國對(duì)于各種清潔能源的發(fā)展愈發(fā)重視。海洋可再生能源因其儲(chǔ)量豐富、開發(fā)前景大，受到廣泛關(guān)注。溫差能是一種海洋可再生能源，在改善能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染方面發(fā)揮著巨大作用［1］，近年來在中國逐漸發(fā)展起來。海洋溫差能發(fā)電技術(shù)是一種利用海洋表面接受太陽輻射升溫的暖水加熱某些低沸點(diǎn)工質(zhì)，通過該工質(zhì)的汽化過程推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能，并使用從深海中提取的涼水將汽化的低沸點(diǎn)工質(zhì)進(jìn)行冷凝，從而構(gòu)成循環(huán)的技術(shù)［2］。目前國際主要溫差能電站［3-12］分布如表1所示。中國開始研究有關(guān)溫差能

發(fā)電技術(shù)的時(shí)間較晚，目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，2015年中國15 kW溫差能發(fā)電裝置在山東省青島市試驗(yàn)成功，接下來的研究重點(diǎn)將集中實(shí)海況示范運(yùn)行方面。

中國溫差能資源十分豐富，主要集中于南海及臺(tái)灣地區(qū)，特別是西沙群島及臺(tái)灣東部地區(qū)，日照強(qiáng)，不同水深的海水溫差大、溫度穩(wěn)定，一年四季均可開采，深層冷海水離岸較近，近海地勢較陡，開發(fā)條件較好，適合進(jìn)行中國溫差能資源的開發(fā)［13］。本文基于美國國家大氣海洋局（NOAA）發(fā)布的World Ocean Atlas 2018（WOA 2018）數(shù)據(jù)，用Nihous等［14-17］的方法對(duì)南海海域、西沙海域、永興島海域的溫差能資源進(jìn)行評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合永興島周邊海域溫差能資源的分布情況以及離岸距離、水深等因素，在永興島周邊海域進(jìn)行用于溫差能電站選址的溫差能資源評(píng)估工作。

1 溫差能資源評(píng)估

1.1 溫差能資源評(píng)估方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，數(shù)值模擬方法不斷發(fā)展，已成為溫差能資源評(píng)估的主流手段之一。本文基于Nihous等［14-15］的方法對(duì)溫差能資源進(jìn)行評(píng)估，該方法通過建立海洋環(huán)流數(shù)值模型，大幅降低了冷水提取量，對(duì)全球溫差能資源儲(chǔ)量進(jìn)行了評(píng)估，此方法的總功率主要取決于蒸發(fā)器熱負(fù)載和熱力學(xué)效率，具體計(jì)算公式為：

[Pg=Qcwρc×3γεtg16（1+γ）TsΔT2]"""" （1）

式中：[Pg]——總功率，W；[Qcw]——冷水流量，m3/s；[ρ]——海水密度，kg/m3；[c]——海水比熱容，kJ/（kg·K）；[γ]——暖水流量[Qww/Qcw]的值；[εtg]——輪機(jī)效率，最高取0.85；[Ts]——暖水溫度，℃；[ΔT]——海洋表層暖水與深層冷水的溫差，℃。

在溫差能資源提取的實(shí)際應(yīng)用中，能量消耗主要集中在深層冷海水的提取，基于此Rajagopalan等［16］、Jia等［17］進(jìn)一步改進(jìn)了凈功率計(jì)算公式，見式（2）。

[Pnet=Qcwρcεtg8T×""""""""" 3γ2（1+γ）ΔT2-0.18ΔT2design-0.12γ22.75ΔT2design]""" （2）

式中：[ΔTdesign]——設(shè)計(jì)溫差，一般取20 ℃。

Nihous方法考慮到溫差能發(fā)電過程中提取的大量深層冷海水在排放時(shí)可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)睾Ｑ蟠怪睙峤Y(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，因此在其計(jì)算模型中，每100 km2海域提取冷海水的流量僅為30 m3/s。Nihous方法是一種環(huán)境友好型的溫差能發(fā)電方案，可認(rèn)為是當(dāng)前技術(shù)條件下某一海域溫差能資源提取的下界。該方法計(jì)算時(shí)的相關(guān)參數(shù)選取如表2所示。由于Nihous方法的計(jì)算相關(guān)參數(shù)是基于單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的，因此下文所述各發(fā)電凈功率均指在特定條件下單臺(tái)機(jī)組的發(fā)電凈功率。后文根據(jù)式（2）利用WOA 2018數(shù)據(jù)集中（分辨率 0.25°）水深、水溫等數(shù)據(jù)對(duì)不同區(qū)域開展溫差能資源評(píng)估工作。

1.2 南海溫差能資源評(píng)估

分析2005—2017年南海各季節(jié)的溫差能發(fā)電凈功率（圖1）可知，南海溫差能資源主要分布在南海海盆及其四周，這一海域表層水溫高，有效水深足夠，能滿足溫差能開發(fā)的有效溫差要求?？傮w上，南海海域夏季溫差能資源儲(chǔ)量最高，冬季溫差能資源儲(chǔ)量最低。局部分析，南海東南方海域溫差能資源峰值出現(xiàn)在春季，不同海域一年中各季節(jié)溫差能資源也有較大差異。從區(qū)域上看，南沙群島海域溫差能資源優(yōu)于西沙群島海域，且南沙群島海域一年內(nèi)發(fā)電凈功率峰值出現(xiàn)在春季，而西沙海域則集中在夏季。除夏季外，其余各季節(jié)在南海北部均能看到一條大致呈西南至東北走向的溫差能資源分割線，在這條分割線的西北側(cè)，溫差能資源普遍較低，在其東南側(cè)，溫差能資源較為豐富，該現(xiàn)象在低溫季節(jié)尤為顯著。

1.3 南海潛在站址海域選擇

雖然從資源儲(chǔ)量和自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性［18］來看，南沙海域均是溫差能發(fā)電的最佳選址地，但中國應(yīng)用溫差能發(fā)電的技術(shù)仍在起步階段，技術(shù)驗(yàn)證過程中需要相關(guān)科技和工程人員不斷調(diào)試和改進(jìn)，南沙群島距離已開發(fā)的陸域太遠(yuǎn)，交通不便，當(dāng)前條件下建設(shè)維護(hù)成本極高。而西沙海域雖然溫差能資源低于南沙群島，但其距離大陸近，前期建設(shè)維護(hù)的成本更低，而且西沙海域受熱帶風(fēng)暴侵襲的頻次［18］在可接受范圍

內(nèi)。因此，當(dāng)前條件下，西沙至海南一帶是較為理想的站址所在地。永興島是三沙市政府所在地，各項(xiàng)設(shè)施完善，能源需求大。西沙北礁是距離海南最近的島礁，現(xiàn)已有一座導(dǎo)航燈塔，未來將規(guī)劃建設(shè)海洋環(huán)境監(jiān)測站和漁港，也有較好的發(fā)展?jié)摿Γ@些都可作為當(dāng)前溫差能電場的備選場址。

綜上，本文將以西沙海域?yàn)檠芯糠秶?，并聚焦于永興島海域，具體范圍分別為：1）西沙海域：111.125°E～113°E，15.625°N～17.7°N；2）永興島海域：111.875°E～112.625°E，16.375°N～17.125°N。

1.4 西沙群島海域溫差能資源評(píng)估

圖2為2005—2017年西沙海域各月份的溫差能發(fā)電凈功率。西沙海域春季和夏季溫差能資源較為豐富，溫差能發(fā)電凈功率基本都在10 MW以上，且大部分海域的溫差能發(fā)電凈功率都在15 MW以上，總體來說，夏季溫差能資源略多于春季。入秋后，西沙海域溫差能資源顯著減少，溫差能發(fā)電凈功率入秋后幾乎整體減少了5 MW。冬季則是西沙群島海域溫差能資源最為貧瘠的時(shí)期，整個(gè)冬季溫差能發(fā)電凈功率都在15 MW以下，部分海域 在8 MW以下。

1.5 永興島海域溫差能資源評(píng)估

永興島海域2005—2017年間各月溫差能發(fā)電凈功率如圖3所示。

由圖3可知，春季（3—5月份）永興島海域溫差能資源逐月增加得十分明顯，溫差能發(fā)電凈功率整體上增加4 MW以上，3月份大部分海域溫差能發(fā)電凈功率還在7 MW以下，而5月份，基本都在10 MW以上，特別是永興島東北方向海域，春季初到春季末溫差能發(fā)電凈功率增加了近7 MW。5—8月份，從春季逐漸進(jìn)入盛夏，太陽直射北半球，位于北回歸線以南的南海海域接收的太陽輻射熱較大，此時(shí)的溫差能資源是一年中最為豐富的，6月份永興島海域溫差能資源達(dá)到峰值，溫差能發(fā)電凈功率基本在13 MW以上。而7—8月份溫差能資源則稍有減少，但整個(gè)夏季溫差能資源最少時(shí)也幾乎保持在10 MW以上。入秋后，9月份永興島海域溫差能資源基本與夏季持平，但秋季后兩月溫差能資源逐漸減少。冬季（12—2月份）是永興島海域溫差能資源最低的時(shí)期，且在1月份時(shí)達(dá)到一年中的最低值。從區(qū)域上看，只有永興島北部海域溫差能資源能在這一時(shí)期維持在8 MW以上。

結(jié)合1955—2017年間夏、冬季溫差能發(fā)電凈功率（圖4）及上述分析可知，1955—2017年間永興島海域溫差能資源是逐漸上升的。永興島海域溫差能資源在一整年的變化中，夏季溫差能資源最為豐富，且在6月份達(dá)到峰值，而春季的溫差能資源略低于夏季，冬季則是溫差能資源最低的季節(jié)，只有春季的一半。但永興島偏北方向海域溫差能資源在一整年中基本維持在10 MW以上。

2 永興島溫差能發(fā)電裝置選址

2.1 潛在站址

溫差能資源評(píng)估計(jì)算時(shí)可觀察到以下現(xiàn)象：1）海水的表層溫度主要與所處地理位置有關(guān)，經(jīng)緯度相差不大時(shí)，表層水溫變化很??；2）溫差能裝置需要提取的深層冷海水主要與水深有關(guān)，同一深度的海水在經(jīng)緯度相差不大時(shí)，溫度變化很??；3）當(dāng)水深小于500 m時(shí)，深層冷海水溫度相對(duì)較高，表層海水溫度與該深度冷海水溫度的溫差不夠大，溫差能發(fā)電凈功率較低，很難滿足溫差能發(fā)電需求。因此，在選擇溫差能裝置布置點(diǎn)位時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮水深大于500 m水深的海域，且待選取的溫差能裝置布置處需要提取的表層及深層海水溫度，可用WOA 2018數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)來近似取值，如表層暖水溫度取WOA 2018數(shù)據(jù)集中相距最近的數(shù)據(jù)點(diǎn)位的表層溫度，深層冷水溫度則取WOA 2018數(shù)據(jù)集中能取到同一深度海水的最近數(shù)據(jù)點(diǎn)位的該深度海水溫度。

利用美國國家大氣海洋局（NOAA）提供的水深地形數(shù)據(jù)（ETOPO1，水平分辨率1′），繪制永興島周邊海域水深地形圖（圖5）。在圖6中根據(jù)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)標(biāo)記出500 m水深線，結(jié)合水深、離岸線距離等因素，選擇出溫差能發(fā)電裝置潛在選址，記為點(diǎn)0～8。圖6中其余點(diǎn)為ETOPO1中存在水深數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，命名方式為：經(jīng)度，緯度，底層水深。各溫差能電站潛在站址基本資料如表3所示，各選址發(fā)電凈效率如圖7所示。

考慮各潛在站址離岸線距離以及溫差能發(fā)電凈功率情況，選擇點(diǎn)0、1、3、6為推薦站址。由離岸距離及溫差能發(fā)電凈功率數(shù)據(jù)可知，點(diǎn)0處離永興島最近，但溫差能資源相對(duì)貧瘠；點(diǎn)3處離永興島距離比點(diǎn)0處稍遠(yuǎn)，但其溫差能資源比點(diǎn)0處更加豐富；點(diǎn)1處溫差能資源最為豐富，但其距離永興島較遠(yuǎn)；點(diǎn)6處溫差能資源較為豐富，且其距離岸線最近，但其距永興島較遠(yuǎn)。

2.2 推薦站址處溫差能資源變化比較分析

圖8為各推薦站址處1955—2017年溫差能發(fā)電平均凈功率及凈功率幅值變化情況。分析可知，1955—2017年的63年間，各選址處的溫差能發(fā)電凈功率均值都處于不斷增加的狀態(tài)，溫差能發(fā)電凈功率幅值則呈先增加后減少的趨勢，且都在2005—2017年間達(dá)到幅值最低值，而且每個(gè)推薦選址

處的溫差能凈功率均值在63年間都上升了10%以上。此外，在各選址中，點(diǎn)0處溫差能資源最穩(wěn)定，但溫差能資源最少；點(diǎn)1處溫差能資源最豐富，但波動(dòng)最大。

3 結(jié) 論

本文利用NOAA WOA 2018數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)，用Nihous方法研究了2005—2017年南海海域、西沙海域、永興島附近海域以及1955—2017年永興島附近海域溫差能資源的變化情況。在此基礎(chǔ)上，分析出永興島附近海域溫差能裝置較優(yōu)的4個(gè)選址，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析，得到主要結(jié)論如下：

1）南海海域溫差能資源春季溫差能資源增長幅度大于夏季。各海域一年各季節(jié)溫差能資源也有較大差異，夏季最高，冬季最低。從整體上看，南沙溫差能資源優(yōu)于西沙，且南沙海域一年內(nèi)發(fā)電凈功率峰值出現(xiàn)在春季，而西沙海域則集中在夏季。

2）西沙海域溫差能資源在一整年的變化中，春、夏季較為豐富，夏季達(dá)到峰值，秋季相對(duì)于夏季減少得十分明顯，冬季則是最為貧瘠的季節(jié)。

3）總體來看，1955—2017年間永興島附近海域溫差能資源是逐漸上升的，而永興島周邊海域溫差能資源在一整年的變化中，夏季最為豐富，且在6月份達(dá)到峰值。而春季略低于夏季，冬季則是溫差能資源最低的季節(jié)，只有春季的一半。永興島偏北方向海域溫差能資源在一整年中基本能維持在10 MW以上。

4）2005—2017年較優(yōu)選址處平均凈功率為：點(diǎn)0（112.447°E，16.81 °N）處為11.16 MW；點(diǎn)1（112.5167°E，16.8667°N）處為16.07 MW；點(diǎn)3（112.45°E，16.8°N）處為11.90 MW；點(diǎn)6（112.2333°E，17.0833°N）處為13.17 MW。

5）分析1955—2017年較優(yōu)選址處數(shù)據(jù)可知：63年間，各選址處的溫差能發(fā)電凈功率均值都處于不斷增加的狀態(tài)，溫差能發(fā)電凈功率幅值則呈先增加后減少的趨勢。點(diǎn)1處溫差能資源最豐富，但波動(dòng)最大。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" 劉偉民， 麻常雷， 陳鳳云， 等. 海洋可再生能源開發(fā)利用與技術(shù)進(jìn)展［J］. 海洋科學(xué)進(jìn)展， 2018， 36（1）： 1-18.

LIU W M， MA C L， CHEN F Y， et al. Exploitation and technical progress of marine renewable energy［J］. Advances in marine science， 2018， 36（1）： 1-18.

［2］"""" 吳春旭， 吳必軍， 葉寅. 海洋熱能利用進(jìn)展［J］. 新能源進(jìn)展， 2014， 2（6）： 454-461.

WU C X， WU B J， YE Y. A review of ocean thermal energy" utilization［J］." Advances" in" new" and" renewable energy， 2014， 2（6）： 454-461.

［3］"""" VEGA L A， NIHOUS G C. At-sea test of the structural response" of" a" large-diameter" pipe attached" to" a" surface vessel［C］//Offshore" Technology" Conference，" Houston， Texas： SPE， 1988： 473-480.

［4］"""" UEHARA H. The present status and future of ocean thermal" energy"" conversion［J］." International" journal"" of solar energy， 1995， 16（4）： 217-231.

［5］"""" TRIMBLE L C， OWENS W L. Review of mini-OTEC performance［C］//Proceedings of the Fifteenth Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. New York， USA， 1980： 1331-1338.

［6］"""" MITSUI T， ITO F， SEYA Y， et al. Outline of the 100 kW OTEC pilot plant in the republic of Nauru［J］. IEEE power engineering review，1983， PER-3（9）： 47-48.

［7］"""" LENNARD D E. Ocean thermal energy conversion-past progress""" and"" future"" prospects［J］." IEE proceedings A physical"" science， measurement and instrumentation， management and education reviews， 1987， 134（5）： 381-391.

［8］"""" 陳云生. 日本久米島的海洋溫差發(fā)電試驗(yàn)［J］. 電世界， 2015， 56（6）： 53.

CHEN Y S. Experiment of ocean thermoelectric power generation"" in"" Kumejima，" Japan［J］."" Electrical"" world， 2015， 56（6）： 53.

［9］"""" 劉偉民. 15 kW溫差能發(fā)電裝置研究及試驗(yàn)［J］. 中國科技成果， 2014（10）： 17.

LIU W M. Research and test of 15 kW thermoelectric power generation device［J］. China science and technology achievements， 2014（10）： 17.

［10］""" 劉偉民， 劉蕾， 陳鳳云， 等. 中國海洋可再生能源技術(shù)進(jìn)展［J］. 科技導(dǎo)報(bào)， 2020， 38（14）： 27-39.

LIU W M， LIU L， CHEN F Y， et al. Technical progress of marine"" renewable"" energy"" in"" China［J］."" Science"" amp; technology review， 2020， 38（14）： 27-39.

［11］""" IKEGAMI Y， YASUNAGA T， URATA K， et al. Oceanic observation and investigation for compound use of OTEC in Kumejima［J］. Journal of OTEC， 2016， 21： 25-34.

［12］""" 岳娟， 于汀， 李大樹， 等. 國內(nèi)外海洋溫差能發(fā)電技術(shù)最新進(jìn)展及發(fā)展建議［J］. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào)， 2017， 36（4）： 82-87.

YUE J， YU T， LI D S， et al. Study on the up-to-date progress and suggestions for ocean thermal energy conversion technologies［J］. Journal of ocean technology， 2017， 36（4）： 82-87.

［13］""" 位巍， 劉成名. 海洋溫差能發(fā)電技術(shù)要點(diǎn)［J］. 中國船檢， 2021（12）： 74-80.

WEI W， LIU C M. Key points of ocean temperature difference energy power generation technology［J］. China ship survey， 2021（12）： 74-80.

［14］""" NIHOUS G C. An order-of-magnitude estimate of ocean thermal energy conversion resources［J］. Journal of energy resources technology， 2005， 127（4）： 328-333.

［15］""" NIHOUS G C. A preliminary assessment of ocean thermal energy conversion resources［J］. Journal of energy resources technology， 2007， 129（1）： 10-17.

［16］""" RAJAGOPALAN K， NIHOUS G C. An assessment of global ocean thermal energy conversion resources with a high-resolution ocean general circulation model［J］. Journal of energy resources technology， 2013， 135（4）： 041202.

［17］""" JIA Y L， NIHOUS G， RAJAGOPALAN K. An evaluation of the large-scale implementation of ocean thermal energy conversion （OTEC） using an ocean general circulation model with low-complexity atmospheric feedback effects［J］." Journal" of"" marine" science" and" engineering， 2018， 6（1）： 12.

［18］""" 孫超， 劉永學(xué)， 李滿春， 等. 近35年來熱帶風(fēng)暴對(duì)我國南海島礁的影響分析［J］. 國土資源遙感， 2014， 26（3）： 135-140.

SUN C， LIU Y X， LI M C， et al. An analysis of tropical storms impact on islands and reefs in the South China Sea in the past 35 years［J］. Remote sensing for land amp; resources， 2014， 26（3）： 135-140.

EVALUATION OF OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION （OTEC） AND SITE SELECTION ANALYSIS OF POWER STATION IN

YONGXING ISLAND， SOUTH CHINA SEA

Yan Sunhong1，Zhou Chunyan1，Zhu Feng2，Zhang Jisheng1

（1. College of Harbour， Coastal and Offshore Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China；

2. CCCC-FHDI Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510220， China）

Abstract：Based on NOAA WOA 2018 data set， the Nihous method was used to evaluate the ocean thermal energy conversion （OTEC） sources in the South China Sea， Xisha Islands and Yongxing Island from 2005 to 2017. In addition， the OTEC resources in Yongxing Island area from 1955 to 2017 was also assessed. Thereafter， the spatial and temporal variation characteristics of OTEC sources were analyzed. In order to meet the site selection requirements of power stations， the distribution of OTEC resources and water depth around Yongxing Island were analyzed specifically in detail， and eight potential power generation sites are selected. In terms of net power of OTEC， offshore distance and sea water depth， four relatively better sites were finally determined. The interannual variation and seasonal index variation of net power of ocean thermal energy generation at four sites were analyzed.

Keywords：ocean thermal energy conversion（OTEC）；" resource assessment； Yongxing Island； site selection of thermal power station