CN107392477A - 一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，首先，该方法考虑了局部海域波浪能和风能资源分布的特点，区划结果具有区域针对性，能满足局部海域区划的需求；然后，该方法的评价指标阈值范围随区域的不同会发生变化，能普遍适用各海区的等级区划；最后，该方法是波浪能和风能联合区划的方法，可以得到这两种资源综合开发潜力的结果，对于资源的开发更有意义。

Description

一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法

技术领域

本发明涉及一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法

背景技术

随着常规化石能源的日益短缺，世界各国将目光聚焦到海洋可再生能源的开发利用上，海洋波浪能和风能是最具开发潜力的两种海洋可再生能源，在建立波浪能、风能电站之前，都需要对拟开发区域的资源开发潜力进行区域等级划分，为波浪能、风能项目的决策者提供依据。

持续的雾霾、愈发恶化的自然环境越来越得到人类社会的高度重视。在常规能源(如煤、石油等)紧缺的当今世界，人类将目光聚焦新能源，尤其是蕴藏丰富的海洋能，这无疑是应对气候变化和常规能源紧缺的最佳选择，也是各个国家采取的共同战略之一。波浪能和风能是最具开发潜力的海洋可再生能源，具有取之不尽，用之不竭，不产生二氧化碳排放等优点。波浪能和风能资源的开发利用对于解决常规化石能源短缺所带来的能源问题以及常规能源碳排放导致的环境问题具有重大战略意义。合理开发利用波浪能和风能资源可为偏远岛屿的居民生活、海上石油平台、海上渔业生产以及海水淡化等提供电力供应，解决能源供给问题，具有重要的实际应用价值。

在开发利用波浪能和风能资源之前，首先需要对拟开发区域的波浪能和风能的开发潜力进行区域等级划分，找到波浪能和风能资源的优先开发利用区，为波浪能资源和风能资源开发项目的决策者提供科学的依据，对于波浪能和风能资源的开发利用而言意义重大。

目前在波浪能和风能资源区域等级划分方面开展的研究工作相对较少，对这两种资源的区域等级划分考虑的影响因素偏少，得到的只是一些粗略的划分结果。此外，一般情况下，离岸较远的海域波浪能和风能资源较为丰富，在这些海域建设和运行波浪能电站和风能电站的成本相对较高，将波浪和风发电产生的电能输送到陆地加以利用需要使用海底电缆进行传送，海底电缆的造价也非常昂贵。

目前对于波浪能和风能区域等级划分方法的研究工作相对较少，区域等级划分的研究普遍针对全球或者中国海的大尺度范围开展，而波浪能和风能资源的开发主要集中的局部海域，局部海域资源开发潜力的划分显得更为重要，目前尚缺乏具有区域针对性的资源划分的方法。同时也未见波浪能和风能联合区划的方法。

现有技术存在的缺点如下：

(1)划分标准针对全球海域，即使是针对中国海的区域等级划分标准也和全球海域的标准相近，缺乏区域针对性，无法满足局部海域波浪能、风能区划的需求；

(2)各评价指标的阈值范围的划分比较主观，没有形成普遍适用的区域等级划分方法；

(3)没有波浪能和风能联合区域划分的方法，无法满足波浪能和风能联合开发的需要。

从经济效益和成本等方面考虑，可以考虑对波浪能和风能进行联合开发，建立波浪能和风能联合电站，充分利用电站的输电装置，提高海上电站运行的经济效益。因此，需要对波浪能和风能的联合开发潜力进行区域等级划分，建立波浪能风能资源联合区域等级划分方法，为波浪能和风能的联合开发提供参考。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种具有区域针对性的波浪能、风能联合等级划分方法，实现了波浪能风能的联合定量划分，可以为波浪能、风能联合电站的建站选址，波浪能、风能项目的决策提供科学依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，包括以下步骤：

(1)定义联合定量区划系数JQDC，所述JQDC根据年均波功率密度P_w、年均有效波时T_Ewave、年变化指数COV_wave、总波功率TWP_wave、年均风功率密度W、年均有效风时T_Ewind、年变化指数COV_wind和总波功率TWP_wind8个指标确定；

(2)确定联合开发潜力分级标准：对于设定的尺度区域，分别求取步骤(1)中每一个指标在不同开发潜力级别下的阈值范围；

(3)根据每一个指标在不同开发潜力级别下的阈值范围，求取JQDC在不同开发潜力级别下的阈值范围；

(4)求取设定尺度区域下的联合定量区划系数JQDC，与步骤(3)中求得的JQDC在不同开发潜力级别下的阈值范围匹配，划定设定区域下的波浪能和风能的联合开发潜力级别。

进一步地，所述联合定量区划系数JQDC具体为：

进一步地，所述年均有效波时T_Ewave为可开发波浪能持续的时间，定义为设定高度范围内的波浪平均每年持续的时间。

进一步地，所述年均有效风时T_Ewind为可开发风能持续的时间，定义为设定风速范围内的风平均每年持续的时间。

进一步地，设定联合开发潜力级别为5个等级，分别代表开发潜力较小、一般、较大、大和最大。

进一步地，每一个指标在不同开发潜力级别下的阈值范围通过平均分配的方法确定，具体方法为：

N1＝M+M_interval；

N2＝M+2×M_interval；

N3＝M+3×M_interval；

N4＝M+4×M_interval；

其中，N1，N2，N3，N4分别为设定尺度区域下指标M在不同开发潜力级别下的阈值；M_interval为指标M的间隔。

进一步地，所述联合开发潜力分级标准具体为：

。

本发明有益效果：

1.本发明建立的等级划分方法得到的等级划分的结果具有区域针对性，能更精确的定位局部海域波浪能和风能的优势区域；

2.本发明建立的等级划分方法中评价指标阈值范围随区域的不同会发生变化，能普遍适用各海区的等级区划，具有较好的普适性；

3.本发明建立等级划分方法是一种波浪能和风能联合区划的方法，可以得到这两种资源综合开发潜力的结果，对于这两种资源的联合开发意义重大，填补了联合区划的空白；该方法具有明显的区域针对性，能更精确的定位局部海域波浪能和风能的优势区域，同时能普遍适用各海区的等级划分，具有较好的普适性。

附图说明

图1为本发明实施例山东半岛周边海域波浪能和风能联合区域等级划分结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

波浪能资源和风能资源开发潜力的评价除了要考虑丰富程度、可开发利用时长之外，还需要考虑资源的稳定性和总储量。

本发明专利建立了一种新的波浪能和风能联合定量区域等级划分的方法，在该方法中波浪能部分考虑了年均波功率密度P_w(单位：kw/m)、年均有效波时T_Ewave(可开发波浪能持续的时间，定义为1m≤H_s≤4m的波浪平均每年持续的时间，单位：h，H_s是有效波高)、年变化指数COV_wave(无量纲)、总波功率TWP_wave(总波功率的计算采用马怀书的气候学法，单位：kw)4个指标。

风能部分考虑了年均风功率密度W(单位：W/m²)、年均有效风时T_Ewind(可开发风能持续的时间，定义为3m/s≤wind speed≤25m/s的风平均每年持续的时间，单位：h，windspeed是风速)、年变化指数COV_wind(无量纲)、总波功率TWP_wind(单位kw)4个指标。

通过以上综合指标，可以更全面的表达波浪能资源和风能资源的开发潜力，利用该方法可以得到全面、有区域针对性的联合区域等级划分结果。

波浪能风能联合定量区划方法的建立过程如下：

(1)定义联合定量区划系数(JQDC)，如下：

JQDC越大，波浪能和风能的联合开发潜力级别越高，其中P_w、T_Ewave、TWP_wave、W、T_Ewind、TWP_wind越大，能量越丰富，开发潜力越高，因此这6个指标是正贡献，出现在分子上；COV_wave和COV_wind越大，稳定性越差，开发潜力越低，因此该指标是负贡献，出现在分母上。

(2)联合开发潜力分级标准的确定

按照JQDC的不同范围设定5个等级，等级划分标准如表1所示，1-5级对应的开发潜力级别逐渐递增，各等级分别代表开发潜力较小、一般、较大、大、最大5个等级。在确定表中各指标的范围时，不同尺度、不同区域有不同的取值范围，各等级的阈值a-h通过平均分配的方法确定，如下(以Pw为例)：

则：a1＝最小年均P_w+P_w-interval,a2＝最小年均P_w+2×P_w_interval,a3＝最小年均P_w+3×P_w_interval,a4＝最小年均P_w+4×P_w_interval，其它指标阈值范围的确定方法与此类似。

对于设定尺度区域，求取了每一个指标在不同开发潜力级别下的阈值后，根据公式(1)的计算方法，计算出JQDC在不同开发潜力级别下的阈值。

表1公开了联合区域等级划分标准如下：

表1联合区域等级划分标准

对于不同尺度区域可以按照以上的方法确定不同的区域等级划分标准，对波浪能和风能资源进行联合区域等级划分，为波浪能和风能资源的联合开发利用提供参考。

(3)波浪能和风能联合区划实例

为了说明本发明专利建立的波浪能和风能联合区域等级划分方法的有效性，利用ECMWF(欧洲中期天气预报中心)发布的波浪场和风场的再分析数据，使用本发明专利的方法，对山东半岛周边海域的波浪能和风能资源进行了联合区域等级划分。各指标的阈值范围如表2：

表2

山东半岛周边海域波浪能和风能联合区域等级划分标准如表3所示：

表3

最终得到山东半岛周边海域波浪能和风能联合区域等级划分结果如图1。由图1可见，山东半岛周边海域波浪能和风能联合开发的优势区域位于威海荣成附近近海海域以及山东半岛东北和东南部远海海域。

由上述实施例可知，本发明建立的具有区域针对性的波浪能、风能联合等级划分方法，实现了波浪能风能的联合定量划分，可以为波浪能、风能联合电站的建站选址，波浪能、风能项目的决策提供科学依据。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)定义联合定量区划系数JQDC，所述JQDC根据年均波功率密度P_w、年均有效波时T_Ewave、年变化指数COV_wave、总波功率TWP_wave、年均风功率密度W、年均有效风时T_Ewind、年变化指数COV_wind和总波功率TWP_wind8个指标确定；

(2)确定联合开发潜力分级标准：对于设定的尺度区域，分别求取步骤(1)中每一个指标在不同开发潜力级别下的阈值范围；

(3)根据每一个指标在不同开发潜力级别下的阈值范围，求取JQDC在不同开发潜力级别下的阈值范围；

(4)求取设定尺度区域下的联合定量区划系数JQDC，与步骤(3)中求得的JQDC在不同开发潜力级别下的阈值范围匹配，划定设定区域下的波浪能和风能的联合开发潜力级别。

2.如权利要求1所述的一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，其特征是，所述联合定量区划系数JQDC具体为：

<mrow> <mi>J</mi> <mi>Q</mi> <mi>D</mi> <mi>C</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>w</mi> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>TWP</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>COV</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>W</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>w</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>TWP</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>COV</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

3.如权利要求1所述的一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，其特征是，所述年均有效波时T_Ewave为可开发波浪能持续的时间，定义为设定高度范围内的波浪平均每年持续的时间。

4.如权利要求1所述的一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，其特征是，所述年均有效风时T_Ewind为可开发风能持续的时间，定义为设定风速范围内的风平均每年持续的时间。

5.如权利要求1所述的一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，其特征是，设定联合开发潜力级别为5个等级，分别代表开发潜力较小、一般、较大、大和最大。

6.如权利要求1所述的一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，其特征是，每一个指标在不同开发潜力级别下的阈值范围通过平均分配的方法确定，具体方法为：

N1＝M+M_interval；

N2＝M+2×M_interval；

N3＝M+3×M_interval；

N4＝M+4×M_interval；

其中，N1，N2，N3，N4分别为设定尺度区域下指标M在不同开发潜力级别下的阈值；M_interval为指标M的间隔。

7.如权利要求1所述的一种海洋波浪能风能资源联合区域等级划分方法，其特征是，所述联合开发潜力分级标准具体为：

。