王曉亮，孫同美，徐晶晶，齊安翔，陳美榕

（國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200081）

上海沿海風(fēng)能資源評(píng)估

王曉亮，孫同美，徐晶晶，齊安翔，陳美榕

（國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200081）

利用上海沿海5個(gè)站點(diǎn)風(fēng)要素資料，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，估算上海海域可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量。東海大橋附近海域、崇明島以東海域、南匯和橫沙東灘以東海域、遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)為豐富區(qū)，風(fēng)能資源儲(chǔ)量約為3 373.1×104kW；杭州灣北岸奉賢海域?yàn)檩^豐富區(qū)，風(fēng)能儲(chǔ)量約為38.3×104kW；長(zhǎng)江口水域?yàn)榭衫脜^(qū)。

上海沿海；風(fēng)能儲(chǔ)量；評(píng)估

海洋風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，已成為國(guó)際風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域。雖對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境具有一定的影響[1]，但因海洋風(fēng)能具有陸地風(fēng)能不可比擬的優(yōu)勢(shì)，世界各國(guó)力爭(zhēng)通過(guò)合理規(guī)劃使其得到充分利用。在丹麥、石荷州（德國(guó)）等國(guó)家或地區(qū)，海洋風(fēng)能發(fā)電量占其總電量的10%[2]，并隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的擴(kuò)建比重不斷增大。在我國(guó)，海面10 m高度可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量約為750 GW[3]，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

上海地處中緯度，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，是我國(guó)海洋風(fēng)能較為豐富的區(qū)域之一[4]。2009年?yáng)|海大橋風(fēng)電場(chǎng)順利建成并成功并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國(guó)海洋風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)穩(wěn)穩(wěn)走出第一步[5]。為充分利用海洋風(fēng)能，上海市制定了風(fēng)力發(fā)電的中長(zhǎng)期規(guī)劃和目標(biāo)，并將其作為城市發(fā)展的重要組成部分。

本文利用上海5個(gè)站點(diǎn)風(fēng)要素資料，對(duì)上海沿?？砷_(kāi)發(fā)利用區(qū)域的風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估，為上海沿海風(fēng)能資源利用提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料

選取上海崇明堡鎮(zhèn)、佘山島、大戢山、東海大橋B平臺(tái)和灘滸島5個(gè)站點(diǎn)的逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)資料以及氣溫、氣壓等輔助要素資料。風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和氣壓資料嚴(yán)格按照《海濱觀測(cè)規(guī)范》[6]要求進(jìn)行觀測(cè)，并經(jīng)三級(jí)審核進(jìn)行質(zhì)量控制。各站點(diǎn)信息見(jiàn)表1，站位設(shè)置見(jiàn)圖1。

學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)“代表年”計(jì)算獲得的風(fēng)功率密度與常年平均值十分接近，差異在0～4%或更低[7]。因此，本研究中佘山島、大戢山和灘滸島站點(diǎn)選取自建站年起至2009年間3個(gè)代表年份(各站點(diǎn)的代表年不盡相同)的風(fēng)功率密度，按算術(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算。東海大橋B平臺(tái)站和崇明堡鎮(zhèn)站因建站時(shí)間較短，直接采用2008—2009年資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 上海沿海5個(gè)站點(diǎn)信息

2 研究方法

依據(jù)《全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》[8]、《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》[9]等進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估。風(fēng)速訂正和各參數(shù)計(jì)算公式如下：

圖1 上海沿海5個(gè)站點(diǎn)位置

（1）風(fēng)速訂正

利用風(fēng)速訂正公式將其統(tǒng)一訂正至海面10 m高度層風(fēng)速，訂正公式：

式中：V10為海面10 m高度風(fēng)速（m/s）；VZ為Z米高度風(fēng)速（m/s）；Z 為風(fēng)傳感器高度（m）；Z0為海面粗糙度，與海面風(fēng)速有關(guān)[10]。風(fēng)速小于5 m/s時(shí)，取0.001 m；風(fēng)速在5～15 m/s之間時(shí)，取0.003 m；風(fēng)速大于15 m/s時(shí)，取0.005 m[11]。

（2）有效風(fēng)時(shí)

統(tǒng)計(jì)代表年測(cè)風(fēng)序列中風(fēng)速在3.0～25.0 m/s的累計(jì)小時(shí)數(shù)。

（3）風(fēng)功率密度

風(fēng)功率密度是與風(fēng)向垂直的單位面積中風(fēng)所具有的功率，是衡量一個(gè)地區(qū)風(fēng)能大小，評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)風(fēng)能潛力的重要指標(biāo)。設(shè)定時(shí)段內(nèi)逐小時(shí)的平均風(fēng)功率密度公式為：

式中：DWP為平均風(fēng)功率密度（W/m2）；n為在設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)；ρ為空氣密度（kg/m3）；為第i記錄的風(fēng)速（m/s）值的立方。

需注意的是，DWP應(yīng)是設(shè)定時(shí)段內(nèi)逐小時(shí)風(fēng)功率密度的平均值，不可用年（或月）平均風(fēng)速計(jì)算年（或月）平均風(fēng)功率密度?？諝饷芏瓤砂垂剑?）計(jì)算：

式中：ρ為空氣密度（kg/m3）；P為年平均大氣壓力（Pa）；R為氣體常數(shù)（287 J/kg·K）；T為年平均空氣開(kāi)氏溫標(biāo)絕對(duì)溫度（℃＋273）。

（4）風(fēng)能資源總蘊(yùn)藏量

式中：E為風(fēng)能資源總儲(chǔ)量（W）；n為風(fēng)功率密度等級(jí)數(shù)；Si為 i級(jí)風(fēng)功率密度區(qū)的面積（m2）；Pi為 i級(jí)風(fēng)功率密度代表值（W/m2）。

3 風(fēng)能資源評(píng)估

3.1 風(fēng)能分布特征

根據(jù)上述研究方法，各測(cè)點(diǎn)代表年海面10 m高度風(fēng)速、年有效小時(shí)數(shù)和年風(fēng)功率密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 上海沿海5個(gè)站點(diǎn)各月、多年平均風(fēng)速

圖3 上海沿海5個(gè)站點(diǎn)年有效小時(shí)數(shù)

（1）上海沿海多年平均風(fēng)速介于3.5～6.0 m/s之間，其中崇明堡鎮(zhèn)站點(diǎn)多年平均風(fēng)速最小，佘山站年平均風(fēng)速最大。崇明堡鎮(zhèn)為岸基站，月平均風(fēng)速變幅較大；其他站點(diǎn)為海區(qū)站，月平均風(fēng)速變幅較小。即海區(qū)站平均風(fēng)速大于岸基站，且海區(qū)站更為穩(wěn)定；

（2）5個(gè)站點(diǎn)的年有效風(fēng)時(shí)均在5 500 h以上，并且海區(qū)站明顯大于岸基站；

（3）年風(fēng)功率密度變化范圍在130～320 W/m2之間。且海區(qū)站大于岸基站，這與平均風(fēng)速及年有效小時(shí)數(shù)的區(qū)域分布特征相一致。

3.2 風(fēng)能資源選劃與評(píng)估

根據(jù)5個(gè)站點(diǎn)的年風(fēng)功率密度和年有效風(fēng)時(shí)，將上海沿海風(fēng)能資源劃分為豐富區(qū)、較豐富區(qū)和可利用區(qū)[9,12-13]，風(fēng)能資源區(qū)劃等級(jí)見(jiàn)表2。東海大橋附近海域（代表站為東海大橋B平臺(tái)）、崇明島以東海域（代表站為佘山島）、南匯和橫沙東灘以東海域?yàn)樨S富區(qū)（代表站為大戢山），杭州灣北岸奉賢海域（代表站為灘滸島）為較豐富區(qū)，長(zhǎng)江口水域（代表站為崇明堡鎮(zhèn)）為可利用區(qū)。

表2 風(fēng)能資源區(qū)劃等級(jí)

在水深小于50 m[14]的區(qū)域內(nèi)，選擇可開(kāi)發(fā)利用海域，評(píng)估上海沿海風(fēng)能資源儲(chǔ)量。選址原則如下：

（1）滿足上海市海洋功能區(qū)劃和岸線規(guī)劃，避開(kāi)航道、錨地、養(yǎng)殖場(chǎng)、生態(tài)保護(hù)區(qū)等；

（2）避開(kāi)軍事用海限制區(qū)，且不影響科研活動(dòng)等其他已明確的特殊用海；

（3）在風(fēng)能資源豐富區(qū)和較豐富區(qū)選址，選擇底質(zhì)條件穩(wěn)定區(qū)域，避開(kāi)斷層、塌陷等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域。

擬選風(fēng)電場(chǎng)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 上海沿海擬選風(fēng)電場(chǎng)示意圖

3.2.1 東海大橋附近海域

位于南匯蘆潮港以東，距岸線約9.2 km，水深范圍為9.7～11.4 m。風(fēng)電場(chǎng)可沿大橋兩側(cè)平行多排布置，電場(chǎng)面積約38.3 km2，風(fēng)能蘊(yùn)藏量約11.3×104kW。

3.2.2 崇明島以東海域

位于崇明東灘以東海域，距崇明縣約36.5 km，水深介于5～20 m水深之間。避開(kāi)生態(tài)保護(hù)區(qū)和崇明管線區(qū)，面積約438.4 km2，風(fēng)能蘊(yùn)藏量約137.2×104kW。

3.2.3 南匯和橫沙東灘以東海域

主要包括南匯邊灘東側(cè)海域和橫沙東灘淺灘以東海域，平均水深分別在10 m和7 m以上。避開(kāi)海洋保護(hù)區(qū)、漁業(yè)養(yǎng)殖核心區(qū)、鳥(niǎo)類遷徙通道、航道、錨地及環(huán)球海底光纜，可利用海域面積約374.3 km2，風(fēng)能蘊(yùn)藏量約94.7×104kW。

3.2.4 遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)

選址于10～50 m水深線海域范圍內(nèi)，中心點(diǎn)距岸線約188.8 km。此區(qū)域因無(wú)障礙物遮擋，其年風(fēng)功率密度不小于崇明島以東海域，本文按佘山站年風(fēng)功率密度計(jì)算。避開(kāi)規(guī)劃航道和錨地，擬選電場(chǎng)面積約9 999.6 km2，風(fēng)能蘊(yùn)藏量約為3 129.9×104kW。

3.2.5 杭州灣北岸奉賢海域

主要包括奉賢區(qū)近海海域，距岸線約13.2 km。避開(kāi)臨港新城綜合港口規(guī)劃區(qū)、人工群島規(guī)劃區(qū)、航道及油氣田輸氣管線等海域，擬選電場(chǎng)面積約158.4 km2，風(fēng)能蘊(yùn)藏量約38.3×104kW。

4 結(jié)論與建議

（1）上海沿海風(fēng)能資源分為豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)。東海大橋附近海域、崇明島以東海域、南匯和橫沙東灘以東海域?yàn)樨S富區(qū)，杭州灣北岸奉賢海域?yàn)檩^豐富區(qū)，長(zhǎng)江口水域?yàn)榭衫脜^(qū)。

（2）遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)為上海沿海風(fēng)能資源最為豐富的區(qū)域，但離岸距離較遠(yuǎn)，開(kāi)發(fā)成本較高。建議優(yōu)先開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源（較）豐富且距岸較近的東海大橋附近海域、杭州灣北岸奉賢海域和南匯以東海域。

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Offshore Wind Resource Assessment Study for Shanghai

WANG Xiao-liang,SUN Tong-mei,XU Jing-jing,QI An-xiang,CHEN Mei-rong
（Marine Forecast Center of East China Sea,State Oceanic Administration,Shanghai 200081,China）

According to the wind data of five stations in Shanghai,the wind energy resource reserves in this region was assessed using statistical analysis method.The assessment shows that waters near the East China Sea Bridge,east of Chongming Island,East of Nanhui and Hengsha tidal flat are rich,where the wind energy resource reserves is about 3 373.1×104kW,waters of Fengxian in the north of Hangzhou Bay is less rich,which contains about 38.3×104kW,the reserves in the Yangtze River Estuary is not so rich but still could be used.

Shanghai coastal area;wind energy resource reserves;assessment

P74

B

1003-2029(2012)01-0107-04

2011-11-25

我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)資助項(xiàng)目——蘇滬沿海海洋風(fēng)能資源調(diào)查與研究（908-01-BC21）

王曉亮（1977-），男，工程師，主要從事海洋觀測(cè)和監(jiān)測(cè)工作。