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第16章 波浪滚滚送能源:波浪能(2)

最终转换若不以发电为目的,也可直接产生机械能,如波力抽水或波力搅拌等。也有波力增压用于海水淡化的实例。

2.波浪电站的选址

(1)基岩港湾海岸的突出部位和外围海岛的向外海一侧海岸

波浪传入近海、岸边后,会因水下地形影响发生折射而形成辐聚或辐散,从而造成能量的集中或分散,还会因海底摩擦和破碎而损耗能量,这些均是波浪电站选址应考虑的重要因素。例如在弧形的海湾,一般海湾的两侧为向海突出的岬角,其前方海底等深线密集,呈向海突出的弧状分布,且深水逼岸,坡度较大,其后方海岸或是礁石林立,或是悬崖峭壁。这样的地方一般波浪尚未破碎,为波浪折射的辐聚区,波浪因海底摩擦的能量损耗较少,这里是理想的波浪电站站址。外围海岛的向外海一侧和宏观上较平直的基岩海岸上突出的半岛顶端或岬角也具有以上优点。而在弧形海湾的腹部,前方为漫长的浅水区,海底等深线呈向岸突出的弧状分布。这样的地方为波浪折射的辐散区,波浪传至岸边已几经破碎,波浪因受海底摩擦能量损耗也大。这里不宜作为波浪电站站址。一般近岸有漫长浅水区的沙质和淤泥质海岸岸边也是如此。总之,波浪电站应选在波浪破波带以外和波能辐聚区。

(2)前方无岛礁遮挡,且海域开阔的地方

为了使转换装置能吸收来自各个方向的波浪能量,波浪电站应尽量选择在前方无岛礁遮挡,海域开阔的地方,并且最好选取装置能与主波向成正交的岸段,以增加装置的吸能效率。

(3)平均潮差较小

对于固定装置(岸基和浅海桩基式)而言,潮差大是不利的。潮差过大会影响波浪对吸能部件的作用时间,从而降低装置的吸能和发电时间。所以波浪电站选在潮差较小的地点为好。

电站附近需要适当的经济条件

波浪电站站址附近或腹地应有与电站输出电力相适应的经济规模和社会需求及配套条件。如有适量的居民、生产或海洋开发、国防及科学实验实体等对电力的需求,有便于连接的电网系统,最好有丰富的自然资源,有一定的交通条件,有较好经济社会发展潜力和前景等。

除以上条件之外,还要考虑波浪电站建成不会对周围生态环境产生严重的不利影响。

波浪能的分布

1.全球波浪能分布状况

(1)太平洋

总体上看,整个太平洋夏季风浪小,冬季风浪大。中纬度和高纬度海区的大浪频率比低纬度海区大。

在太平洋北部,夏季风浪较少,尤其在菲律宾群岛和苏拉威西岛之间海域,大浪很少出现,大浪频率仅在5%以下。北部风浪稍大,大浪频率在10%以上,阿留申群岛附近可达20%。从秋季开始,风浪逐渐增大,到翌年2月达到最大,特别是北部海域,冬季以强风著称,大风可影响到中纬和低纬地区,大浪区往南可扩展到北纬30°附近。在日本以东的太平洋西北部洋面上,经常有大浪出现,频率达40%以上。

①波向分布。冬季,北部各海区的盛行波向为NW-N(N代表北,W代表西,E代表西),南部各海区则以E-NE为主;夏季,盛行偏南向;春末和秋初则为过渡时期。

各海区的浪向与风向也较一致,但涌向的分布则与风向分布相差较大,这是由于大洋上的涌浪能传到较远的洋面所致。但在北纬20°以南洋面,每年的11~3月由盛行的东北信风造成N-NE向的涌浪与风向很一致。

②波高分布。太平洋西北部全年约有80%的波高小于2.75米,其中经常出现的波高为0.76~1.75每分钟,约占43%。

我国近海及太平洋西北部的平均波高分布很不均匀。高值中心出现在日本以东大洋区,大约位于北纬25°以北、东经135°以东,涌浪高值区的范围稍大于风浪高值区。风浪年平均波高大于1.4米,中心最高值为1.9米,涌浪年平均波高大于1.8米,中心最高值为2.3米。两者的高值中心都位于北纬35°~40°的纬度带,是著名的太平洋北部暴风带所在地。在菲律宾群岛东北部有一较明显的涌浪高值中心,在北纬20°、东经155°附近,也有一个涌浪高值区。

波浪较小的区域是北纬10°以南的海洋以及北部边缘海区,如渤海、北黄海(山东半岛东端以东,约北纬37°以北为北黄海,以南为南黄海。“黄海北部”或“黄海南部”则是较笼统的概念,泛指黄海的北部或南部)、日本海西北部、北部湾等。这些海区的风浪波高一般在1米以下,其中又以赤道附近最低,年平均波高小于0.8米。涌浪平均波高一般小于1.4米,且北部边缘海区的涌浪较赤道附近洋面低,这是由于大洋的涌浪不易传到这些海区。在大洋的琉黄列岛附近有一个波高低值区,它大致位于副热带高压中心的平均位置。黄海、东海,我国的江苏、浙江、上海沿岸的风浪和涌浪都较小。

太平洋西北部的边缘海区,除南海外,其年平均波高分布大致都是北小南大。这是因为在季风影响下,冬季偏北风远比其他方向的风强、持续时间长及出现频率高。而且这些海区的波浪往往是在北部海区生成后向南传播,在传播过程中,风浪不断地发展。还因为黄海南部和东海与大洋相通,大洋的涌浪可从其南部传入,从而增大了南部的波浪。南海的年平均波高分布较为特殊,南海的波浪分布可以北纬15°为界分为南北两部分说明。北纬15°以北的南海北部波浪分布为东北大、西南小(北部湾除外)。这是因为该海区东北部有巴士海峡和巴林塘海峡与太平洋相通,又有台湾海峡与东海相连,使得太平洋和东海的较大波浪易于传入,因而使这里的波浪比南海其他海区显著增大。北纬15°以南的南海南部波浪分布也呈北大南小的状况。这是因为该海区冬季受大陆季风影响较弱,因而风浪不大,波浪在该海区内衰减较快。

太平洋西北部波浪最大的海区是在北纬28°以北、南纬145°以东的大洋北部,其次是台湾海峡和南海东北部,在北纬16°、东经132°附近洋面波浪也较高。而在一些半封闭的、不与大洋相通的海和海湾,以及赤道附近的洋面波浪最小。

(2)南大西洋

南大西洋波浪分布的总趋势是:全年波高冬季(7月)大于夏季(1月),南部大于北部,等波高线除在南美洲南部沿岸及近海呈与岸线平行的趋势,沿岸波高1米以上,向外逐渐增大外,其余广大海区基本上是南大北小,等波高线基本呈与纬度平行的趋势。

冬季(7月),平均波高分布是北小南大。北部在近南美洲一侧有一个波高大于2.0米的高值中心,其他海区波高分布较均匀,为1.0~1.5米。南纬30°以南,等波高线基本与纬度平行,波高由1.5米增大至3.0米,南纬40°以南为波高大于3.0米的高值区,月平均波高最大值为3.2米,出现在非洲西南部沿岸。全年7~8月平均波高最大。

夏季(1月),平均波高分布与冬季分布趋势基本一致,只是波高数值普遍下降,北部波高大于2.0米的高值中心消失,小于1.5米的低值区向南扩展,月平均波高最小值为1米,出现在非洲中部沿岸(赤道以南),南部高值区南退、并缩小。

(3)印度洋

印度洋上的风系与太平洋和大西洋不同,所以印度洋的风浪状况与太平洋、大西洋的风浪状况差异较大。

印度洋北部,7~8月,正是西南季风最盛时期,常有狂风暴雨和巨浪出现。在阿拉伯海,季风的平均风速可达16米/秒,大浪频率高达74%,是世界大洋中大浪频率最高的海区。秋季,由于西南季风逐渐减弱,并转换成东北季风,直到冬季,海面都比较平静。印度洋南部,夏季大浪的出现频率比冬季多,这也是与太平洋和大西洋所不同的地方。

2.我国的波浪能分布状况

(1)波浪特征

我国沿岸的波浪,多为风浪为主的混合浪。波浪(波高和波向)随季节变化十分明显。另外,地形及天气形势等对局部地区的波浪也产生不同程度的影响,致使我国沿岸波浪的分布及变化更为复杂。因为我国沿岸波浪以风浪为主,以下主要介绍风浪的波向、波高和周期分布变化。

①波向分布。风浪波向主要取决于风向,盛行波向与盛行风向颇为一致。冬季盛行偏北向浪,夏季盛行偏南向浪。春秋季为波向的交替时期。另外,由于各地受地理环境的影响,使波向各有其特殊分布。一般而言,冬季,沿岸自北向南,波向由西北按顺时针方向向东变化;夏季,沿岸自南向北,波向由西南按逆时针方向向东南变化。

②波高分布。我国沿岸波高分布总趋势是:我国东海沿岸为北部小,南部大。南海沿岸为粤东和西沙地区大,其他地区小。各地沿岸的平均波高(小时)分布是:渤海沿岸为0.3~0.5米;山东半岛、苏北、长江口、台湾海峡西岸、粤西、海南岛和北部湾沿岸为0.6~1.0米;渤海海峡、浙江、福建北部、台湾东部和粤东沿岸为1.0~1.7米;西沙地区为1.4米左右。东海和粤东沿岸及西沙地区是我国波浪能资源最富集的地区。平均波高的季节变化趋势是,冬季最大,夏季最小。

③周期分布。东我国海沿岸波浪周期与波高分布类似,一般为北部小,南部大。南海沿岸粤东大,北部湾小。各地沿岸的年平均周期分布是:渤海为2.0~3.0秒;渤海海峡为3.6秒左右;山东半岛南岸、苏北和长江口为3.0~4.4秒;浙江、福建和台湾为4.5~6.4秒;粤东粤西为3.0~5.4秒;海南岛和北部湾为2.5~3.0秒;西沙地区为3.5秒左右。平均周期的季节变化,除个别地段如渤海海峡冬季偏大、夏季偏小外,各地一般变化不大。

(2)波浪资源分布

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