CN116341952B - 一种海洋风浪资源联合开发评估方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种海洋风浪资源联合开发评估方法，属于海洋能利用领域。针对现有技术中出现了越来越多的风‑浪联合利用装置，但是没有对海上风能和波浪能资源进行联合分析的方法的问题，本申请针对海上风能和波浪能的相关程度、稳定性和互补性进行综合考虑，更加全方面的对海上风能和波浪能资源进行联合评估，可以为风能、波浪能联合电站的建站选址，风能、波浪能项目的决策提供科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋风浪资源联合开发评估方法，属于海洋能利用领域。
背景技术
能源是人类生活和社会前进发展的重要物质基础，工业技术的发展，使得世界能源的需求大大增加。传统化石能源的大量开采和使用带来了能源储量危机和环境污染等问题，发展可再生能源是解决能源问题的重要举措。海洋能是指海洋中的可再生能源，海上风能和波浪能就属于海洋可在生能源，海上风能和波浪能储量庞大，容易获取，清洁无污染。近年来，海上风能和波浪能逐渐成为可再生能源开发与利用的重点。
在开发海上风能和波浪能之前，首先需要对整个拟开发区域的风能和波浪能资源的开发潜力进行评估，经过评估之后，可以对能量储量有个总体清晰的认知，了解海洋资源的时间和空间分布特点，为后续海洋能源的利用开发提供依据。这对于海上风能资源和波浪能资源的开发利用有着重大意义。
目前对于这两种资源，海上风能和波浪能的资源评估工作通常是分开进行的，风-浪联合资源开发方面的工作还很少。近几年出现了越来越多的风-浪联合利用装置，因此有必要对海上风能和波浪能资源进行联合分析，研究它们之间的相互作用，确定未来联合能源开发具有吸引力的区域，评估联合开发潜力，保证风-浪联合利用装置的能量保证率。
发明内容
本申请提出一种海洋风浪资源联合开发评估方法，可以为风能、波浪能联合电站的建站选址，风能、波浪能项目的决策提供科学依据。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种海洋风浪资源联合开发评估方法，包括以下步骤：
1)采集需评估海域的风能资源数据和浪能资源数据；
根据风能资源数据和浪能资源数据确定风能、浪能的功率数据；
2)根据风能资源数据和浪能资源数据，确定风能、浪能这两种资源的自身稳定性；
3)根据风能资源数据和浪能资源数据，确定风能和浪能之间相关度，并确定风能、浪能的互补性；
4)根据风能、浪能的自身稳定性、相关度和互补性，确定海上风能和波浪能联合开发的潜力级别。
优化的，上述海洋风浪资源联合开发评估方法，步骤1)中，采集的风能资源数据包括需评估海域的风速；采集的浪能资源数据包括需评估海域的波浪有效波高、波浪平均周期。
优化的，上述海洋风浪资源联合开发评估方法，步骤1)中，
风能的功率数据为风能密度Pwind，风能密度其中ρa为空气密度、U为风速；
浪能的功率数据为波功率密度Pwave，波功率密度Hs为波浪有效波高，/>为波浪平均周期。
优化的，上述海洋风浪资源联合开发评估方法，步骤3)中，风能和浪能之间相关度为风-浪之间相关系数R， 为风能密度Pwind的平均值、/>为波功率密度Pwave的平均值、σPwind为风能密度Pwind的标准差、σPwave为波功率密度Pwave的标准差。
优化的，上述海洋风浪资源联合开发评估方法，步骤2)中，
风能的自身稳定性通过风能密度变异系数COVwind确定，风能密度变异系数
浪能的自身稳定性通过波功率密度变异系数COVwave确定，波功率密度变异系数
优化的，上述海洋风浪资源联合开发评估方法，步骤3)中，风能、浪能的互补性通过风-浪互补系数WCW表征，风-浪互补系数其中a为风能密度可利用值，b为波功率密度可利用值。
优化的，上述海洋风浪资源联合开发评估方法，步骤4)中，
海上风能和波浪能联合开发的潜力级别通过风-浪联合开发系数WWJDI表征；风-浪联合开发系数其中，αR为风-浪之间相关系数R的加权因子、/>为风能密度变异系数COVwind的加权因子、/>为波功率密度变异系数COVwave的加权因子、αWCW为风-浪互补系数WCW的加权因子。
优化的，上述海洋风浪资源联合开发评估方法，αR、αWCW之和等于1。
本申请的有益效果为：
本申请的海洋风-浪资源联合开发评估方法可针对海上风能和波浪能的相关程度、稳定性和互补性进行综合考虑，更加全方面的对海上风能和波浪能资源进行联合评估，为海上风能和波浪能的开发利用做出科学的指导，保证风-浪联合利用装置的能量保证率。
本申请的海洋风-浪资源联合开发评估方法中的各个因子随待评估区域的不同会发生变化，能普遍适用于各个海域的风浪资源联合评估，具有普适性。
附图说明
图1为本申请中实施例的海域风-浪联合开发系数WWJDI的分布结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
本发明提供一种海洋风浪资源联合开发评估方法，海上风能和波浪能的联合评估需要考虑两种资源之间的内在联系，本申请的技术方案考虑了两种资源间的相关程度、两种资源的稳定性以及两种资源的互补性。
本申请的海上风能和波浪能联合评估的方法，在海上风能部分考虑了风能密度Pwind(单位W/m2)、风能密度Pwind的平均值(单位W/m2)、风能密度Pwind的标准差/>(单位W/m2)、风能密度变异系数COVwind(无量纲)以及Pwind大于某一阈值的总数number of(Pwind>a)(无量纲)5个指标。
波浪能部分考虑了波功率密度Pwave(单位kw/m)、波功率密度Pwave的平均值(单位kw/m)、为波功率密度Pwave的标准差/>(单位kw/m)、波功率密度变异系数COVwave(无量纲)、Pwave大于某一阈值的总数number of(Pwave>b)(无量纲)5个指标。
通过综合以上指标，可以更将全面的综合评估海上风能和波浪能的开发潜力，得到两种资源联合评估的结果。
上述指标，通过采集需评估海域的风速、波浪有效波高、波浪平均周期，并根据采集的信息进行计算后获得，其中：
计算风能密度Pwind为：
其中ρa为空气密度(此处为1.225kg/m3)，U为风速。
计算波功率密度Pwave为：
Hs为波浪有效波高，/>为波浪平均周期。
计算风-浪之间相关系数R为：
为风能密度Pwind的平均值、/>为波功率密度Pwave的平均值、/>为风能密度Pwind的标准差、/>为波功率密度Pwave的标准差。
计算风能密度变异系数COVwind：
计算波功率密度变异系数COVwave：
计算风-浪互补系数WCW：
a为风能密度可利用值，b为波功率密度可利用值。
本申请中，定义风-浪联合开发系数WWJDI，用以表征海上风能和波浪能联合开发的潜力级别。
WWJDI的值越小，海上风能和波浪能联合开发的潜力级别越高，其中风-浪之间相关系数R越小表示两种资源的相关程度越低，两种资源峰值出现的时间不同步，更有利于风-浪联合开发的运行时间延长；风能密度变异系数COVwind和波功率密度变异系数COVwave越小表示两种资源自身稳定性高，开发潜力更高；风-浪互补系数WCW越小表示两种资源的互补性越高，风浪联合开发的间歇性将会越小。
αR、分别是风-浪之间相关系数R、风能密度变异系数COVwind、波功率密度变异系数COVwave、风-浪互补系数WCW的加权因子，各个加权因子之和等于1。各加权因子可随待评估区域的不同选择不同的值。
下面，结合具体应用实例，说明本申请的技术方案的应用方法。
利用ERA5的再分析风场数据驱动swan海浪模式对渤海和黄海及周边海域的海浪进行了模拟，得到了2020年3月至2021年3月一整年时间的海浪数据。利用ERA5的再分析风场数据和swan模拟得到的海浪数据，使用本发明专利的方法，对山东半岛附近海域的海上风能和波浪能资源进行了联合评估。
计算互补系数WCW，根据待评估区域的特征选用a＝500，b＝4，各加权因子分别取值为αR＝0.4、αWCW＝0.2。
最终计算得到山东半岛附近海域风-浪联合开发系数WWJDI的分布结果如图1。由图1可见，山东半岛附近海域风-浪联合开发优势区域渤海中部、山东半岛东北海域及山东半岛东南海域。
由上述实施的实例可知，本发明建立的海上风能和波浪能风-浪联合开发评估方法，实现了风-浪两种资源的联合评估，从相关程度、稳定性和互补性进行综合考虑，更加全方面的对海上风能和波浪能资源进行联合评估，为海上风能和波浪能的开发利用做出科学的指导。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种海洋风浪资源联合开发评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)采集需评估海域的风能资源数据和浪能资源数据；
根据风能资源数据和浪能资源数据确定风能、浪能的功率数据；
2)根据风能资源数据和浪能资源数据，确定风能、浪能这两种资源的自身稳定性；
3)根据风能资源数据和浪能资源数据，确定风能和浪能之间相关度，并确定风能、浪能的互补性；
4)根据风能、浪能的自身稳定性、相关度和互补性，确定海上风能和波浪能联合开发的潜力级别；
步骤3)中，风能和浪能之间相关度为风-浪之间相关系数R， 为风能密度Pwind的平均值、/>为波功率密度Pwave的平均值、/>为风能密度Pwind的标准差、/>为波功率密度Pwave的标准差；
步骤3)中，风能、浪能的互补性通过风-浪互补系数WCW表征，风-浪互补系数其中a为风能密度可利用值，b为波功率密度可利用值；
步骤2)中，风能的自身稳定性通过风能密度变异系数COVwind确定，风能密度变异系数
浪能的自身稳定性通过波功率密度变异系数COVwave确定，波功率密度变异系数
2.根据权利要求1所述的海洋风浪资源联合开发评估方法，其特征在于：步骤1)中，采集的风能资源数据包括需评估海域的风速；采集的浪能资源数据包括需评估海域的波浪有效波高、波浪平均周期。
3.根据权利要求1所述的海洋风浪资源联合开发评估方法，其特征在于：步骤1)中，
风能的功率数据为风能密度Pwind，风能密度其中ρa为空气密度、U为风速；
浪能的功率数据为波功率密度Pwave，波功率密度Hs为波浪有效波高，/>为波浪平均周期。
4.根据权利要求1所述的海洋风浪资源联合开发评估方法，其特征在于：步骤4)中，
海上风能和波浪能联合开发的潜力级别通过风-浪联合开发系数WWJDI表征；风-浪联合开发系数其中，αR为风-浪之间相关系数R的加权因子、/>为风能密度变异系数COVwind的加权因子、/>为波功率密度变异系数COVwave的加权因子、αWCW为风-浪互补系数WCW的加权因子。
5.根据权利要求4所述的海洋风浪资源联合开发评估方法，其特征在于：αR、 αWCW之和等于1。
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