太平洋一个潮汐循环区域的环礁中，由潮汐和海浪驱动的流体动力能量

《Renewable Energy》：Tidal and wave driven hydrokinetic power in atolls of an amphidromic region in the Pacific Ocean

环礁海峡潮汐流与能量潜力研究

　　法国波利尼西亚位于太平洋的半日潮区域，该区域潮汐范围较小。环形岛屿——即环礁——是这一地区常见的地貌，通常具有连接潟湖与海洋的通道，这些通道往往表现出强烈的水流现象。本研究通过在马尼希和塔卡拉奥两个环礁的主要通道中部署声学多普勒流速剖面仪（ADCP），进行了长期的现场流量测量，以探索其动能潜力。尽管该地区海平面变化中潮汐作用不显著，但流量测量结果显示，水流呈现出半日周期性，主要受月球潮汐成分的影响。同时，观测到涨潮与退潮水流的不对称性，并且与波浪气候相关联，表明环礁在一定程度上可作为大型波浪越顶装置，增加通过通道的动能通量，并延长退潮水流的持续时间。从能量评估的角度来看，这些环礁具有利用潮汐流涡轮机产生大量电力的潜力。这种发电方式可能对环境和视觉影响较小，有助于减少碳排放和对化石燃料的依赖。

法国波利尼西亚及其周边的其他太平洋小岛国家，长期以来依赖进口的化石燃料进行能源生产。根据相关数据，2019年，基于石油的燃料占法国波利尼西亚总能源消耗的94%。这包括居民生活、交通运输以及旅游业活动，如度假村的运营等。然而，以化石燃料为基础的能源生产方式损害了该地区的主要经济活动——即其独特的自然环境。因此，公共部门和民间社会积极推动法国波利尼西亚能源结构的多样化，并倡导采用可再生能源。从2015年至2020年，可再生能源在电力网络中的占比逐步提升。到2020年，这些岛屿的总电力容量中约有30%来自可再生能源，主要依靠水力和太阳能发电站的建设。然而，这一比例掩盖了岛屿之间存在的差异。一些较新的岛屿，地势较高，拥有适合水力发电的地理特征，而一些较古老的岛屿则由于地势低平且处于环礁阶段，不适合水力发电。因此，环礁对化石燃料的依赖程度通常高于山地岛屿。

法国波利尼西亚的政府机构已设定目标，计划到2030年实现75%的电力来自可再生能源，并启动了一个雄心勃勃的能源转型计划（ETP），该计划得到了法国发展署（AFD）和波利尼西亚政府的支持。鉴于法国波利尼西亚由数百个岛屿和环礁组成，且总面积超过2000公里，海洋能源被视为重要的可再生能源资源之一。该区域的面积与整个欧洲大陆相当，但人口仅为约30万。因此，可持续的电力生产策略必须考虑这一独特环境所带来的挑战和限制，特别是在孤立岛屿和小型社区的背景下。

全球范围内，大规模的风能和太阳能发电是当前减碳工作的核心。然而，在法国波利尼西亚，这些技术的应用面临一定挑战。首先，它们的视觉影响可能会影响旅游业，而旅游业是这些岛屿的主要经济活动之一。其次，风能和太阳能发电具有间歇性，难以满足连续的能源需求。因此，其他替代方案正在被积极研究。

波浪能是一种丰富的能源形式，广泛分布于众多岛屿上。然而，尽管资源充足，波浪能转换技术的成本仍然高于其他替代方案。此外，法国波利尼西亚岛屿的地理特征也提示需要对波浪能设备进行本地化适配。典型的环礁由一个低深度的潟湖、一个或多个连接潟湖与海洋的通道、围绕潟湖的珊瑚礁以及陡峭的海底坡度组成，这些坡度在靠近海岸线处可达到1000米。这种地形不仅对物流构成挑战，也对波浪能设备的锚定提出了技术难题。当前的努力，如塔希提波浪能挑战（TWEC），旨在结合2024年塔希提奥运会冲浪比赛，推动波浪能技术的发展。然而，目前来看，波浪能尚未成为一种可行的替代方案。

海洋热能（如海水空调和发电）在某些海域具有良好的应用前景。然而，尽管技术上具有可行性，目前在法国波利尼西亚，海水空调和发电技术的开发水平仍然有限，且市场上尚未出现商业化的可再生能源解决方案。此外，由于法国波利尼西亚处于半日潮区域，月球潮汐成分的幅度较低，因此潮汐能的开发往往被忽视。然而，当地渔民和航海者经常报告环礁内部存在较强的水流，且有研究指出，珊瑚礁可以作为自然的波浪越顶结构，从而为水力涡轮机提供动能。然而，这些假设尚未通过现场流量测量得到验证，因此潮汐能技术在法国波利尼西亚的推广仍处于初级阶段。

海洋能源标准中包含了用于评估潮汐流能转换器可行性的流量测量协议，包括对单个设备年度发电量的估算，以及对设计潮汐涡轮机阵列所需数值模型的验证和校准。声学多普勒流速剖面仪（ADCP）是行业标准工具，用于在不同深度和长时间段内进行现场流量测量。ADCP已被广泛用于评估潮汐流能发电站的潜在位置。例如，[14]在苏格兰的欧洲海洋能源中心（EMEC）进行了详细的流速测量，[15]在澳大利亚的班克斯海峡进行了测量以评估其作为潮汐流能发电站的潜力，[16]在威尔士的海洋能源测试区（META）使用ADCP测量来评估其发电潜力。[17]在EMEC使用ADCP研究潮汐流速，并讨论了IEC标准，普遍认同工业界的技术建议。[18]利用ADCP测量，确定了一种通用的流速分布模式，可用于涡轮机设计师的参考。他们发现，一个1/7次方的流速分布模式，结合0.4的粗糙度系数，可以描述爱尔兰海两个站点的平均流速分布。长期的流速和潮汐测量对于验证水动力模型至关重要，因为这些模型可用于预测更广泛地理区域的流场，这是设计潮汐涡轮机农场布局所必需的步骤。例如，[19]和[20]分别对智利的查科通道和麦哲伦海峡进行了采样和建模，[21]展示了加拿大萨利希海的水动力模型，该模型经过广泛的ADCP测量验证。

作为其能源转型战略的一部分，法国波利尼西亚政府能源服务部门委托在马尼希和塔卡拉奥两个环礁的主通道——塔赖帕和泰乌昂埃——进行了初步的流速测量。这两项测量活动持续约一年，主要使用底部安装的ADCP，部署位置基于之前从船上进行的初步调查。据作者所知，目前尚未有其他类似的研究在环礁通道中进行。这些仪器用于测量不同深度的水流矢量，数据以五分钟为周期进行平均。

本文旨在分析这两个站点的流速测量数据，以评估其作为能源生产可行性的潜力。研究目标是提供对可用资源的初步评估，并比较这些环礁的发电潜力与当地电力需求之间的关系。结果显示，这两个环礁的主通道中存在较强的水流，其动能通量主要由强烈的潮汐影响驱动，并受到波浪越顶的贡献。

本文的结构如下：首先对两个分析站点进行一般性描述，随后在第二部分详细说明测量和处理技术。第三部分将对数据进行分析，第四部分则探讨水力能源的潜力。最后在第五部分给出结论。

法国波利尼西亚由五个群岛组成：社会群岛、土阿莫土群岛、加维亚群岛、南方群岛和马克西群岛，其南北和东西方向的跨度约为2000公里。这五个群岛包含大约120个岛屿，总面积略大于欧洲大陆。法国波利尼西亚的总人口接近30万，其中塔希提岛作为主要岛屿，集中了约20万人口。这些数据表明，法国波利尼西亚在地理和人口分布上具有显著的多样性，这种多样性对能源策略的制定提出了挑战。

本文的研究数据表明，马尼希和塔卡拉奥两个环礁具有较强的水力能源潜力。测量结果显示，这些环礁的主要通道中存在显著的水流，其动能通量主要由潮汐影响驱动，并受到波浪越顶的贡献。尽管法国波利尼西亚处于潮汐幅度较小的半日潮区域，但这些环礁的水流仍然表现出较强的月球潮汐成分。这种现象表明，即使在潮汐幅度较小的区域，也可能存在可利用的水力能源。

然而，这些环礁的水流不仅仅由潮汐驱动。水流的形成还受到其他因素的影响，例如波浪的作用。通过分析流量数据，研究团队发现，这些环礁的水流在退潮和涨潮时表现出不同的特征，且与波浪气候存在一定的相关性。这种相关性表明，环礁可能在一定程度上作为波浪越顶装置，从而增加通过通道的动能通量，并延长退潮水流的时间。这种现象对于水力能源的开发具有重要意义，因为它提供了更稳定的能量来源，有助于减少对化石燃料的依赖。

从能源需求的角度来看，法国波利尼西亚的岛屿在电力消费方面存在一定的差异。例如，2019年的数据表明，基于柴油消耗的估计，该地区的电力消费中化石燃料占比极高。而2022年的数据则基于家庭电力消费的测量，未包括公共设施如市政基础设施和公共照明。这种差异表明，不同岛屿在能源需求和供应能力方面存在一定的不均衡，因此需要制定更加精细化的能源策略。

综上所述，本文的研究结果表明，法国波利尼西亚的环礁在水力能源开发方面具有较大的潜力。通过长期的现场流量测量，研究团队发现这些环礁的主通道中存在较强的水流，且其动能通量主要由潮汐影响驱动，并受到波浪越顶的贡献。尽管该地区处于潮汐幅度较小的半日潮区域，但这些环礁的水流仍然表现出较强的月球潮汐成分。这种现象表明，即使在潮汐幅度较小的区域，也可能存在可利用的水力能源。同时，这些环礁的水流不仅仅由潮汐驱动，还受到其他因素的影响，例如波浪的作用。因此，未来的水力能源开发需要综合考虑多种因素，包括潮汐、波浪以及地形特征，以制定更加科学和可持续的能源解决方案。