潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設主要問題分析*

李 彥，羅續(xù)業(yè)，路 寬

（國家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設主要問題分析*

李 彥，羅續(xù)業(yè)，路 寬

（國家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

建設我國潮流能、波浪能海上試驗與測試場，是促進我國潮流能、波浪能可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動力。文章通過對國內(nèi)外潮流能、波浪能開發(fā)利用現(xiàn)狀分析，提出建設我國潮流能、波浪能海上試驗與測試場的緊迫性和必要性，并根據(jù)對國際先進國家海上試驗場建設與發(fā)展趨勢的研究，結(jié)合我國實際，提出了潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設應考慮的主要問題和建議。

潮流能；波浪能；海上試驗與測試場；綜合檢測

我國海洋可再生能源開發(fā)利用的發(fā)展可劃分為近期、中期、長期3個階段［1］，即：基礎研究階段、裝置研究與開發(fā)階段和產(chǎn)業(yè)化階段。基礎研究階段主要是以政府主導為主，資助的重點主要是研究機構(gòu)，支持的方向是解決關(guān)鍵技術(shù)、建立公共海上試驗平臺、建設標準體系。裝置研究與開發(fā)階段主要是政府主導、企業(yè)參與，資助的重點主要是企業(yè)，支持的重點方向是提高設備性能、促進技術(shù)應用，示范地點從近岸海域推進到開闊海域。產(chǎn)業(yè)化階段主要是以企業(yè)為主導，開展商業(yè)化應用，實現(xiàn)海洋能的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。我國海洋能 （特別是潮流能、波浪能）開發(fā)目前處于裝置研發(fā)階段的初期，海上試驗是面臨的一大重要共性問題。

1 國內(nèi)外潮流能、波浪能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代，海洋可再生能源因其儲量豐富、環(huán)境友好等特點而受到世界各國的普遍重視，步入21世紀以來，特別是在面臨化石性能源日益枯竭、全球氣候變暖、環(huán)境污染加重、能源需求不斷增加的嚴峻形勢下，各國政府相繼將海洋可再生能源列為戰(zhàn)略能源。除英國、愛爾蘭、挪威、丹麥、美國等走在世界前列的國家外，日本——特別是在福島核事故發(fā)生后對海洋可再生能源給予了高度重視，并在海洋熱能發(fā)電系統(tǒng)和換熱器技術(shù)上也取得了顯著成績［2］。我國于2010年設立了海洋可再生能源專項資金。

根據(jù)IHS新能源研究所的報告顯示，當前潮流能、波浪能利用技術(shù)發(fā)展較快，處于實海況試驗階段［3］。國際上具有代表性的主要包括：英國MCT公司研制的SeaGen潮流發(fā)電裝置，裝機容量1.2MW，已實現(xiàn)了向英國國家電網(wǎng)輸電［4］；英國PWP公司研制的Pelamis波浪發(fā)電裝置，分別安裝于蘇格蘭近海（總?cè)萘?.75MW）和葡萄牙近海 （總?cè)萘?.25MW）［5］；美國OPT公司研制的PowerBuoy，已形成單機功率分別為40kW和150kW的系列產(chǎn)品，并成功地為美國海軍軍用設施供電［6］。

近些年，在我國財政部、科技部和國家海洋局的支持下，潮流能、波浪能利用技術(shù)取得了一定成果，與國外在潮流能、波浪能發(fā)電技術(shù)上差距不大，但在發(fā)電機組大小和裝機容量上差距較大。如：哈爾濱工程大學曾先后研制了“萬向I”型70kW潮流實驗電站和“萬向II”40kW潮流實驗電站［7］，目前已在浙江省舟山地區(qū)安裝了一臺10kW小比例潮流發(fā)電裝置海上工程樣機，經(jīng)過1個月的測試運行正常。中科院廣州能源研制了3kW、20kW、100kW岸式振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置［7］，目前完成了新的10kW鴨式波浪能發(fā)電裝置和10kW點吸收式波能發(fā)電浮標的海上工程樣機的建造工作。

2 建設我國潮流能、波浪能海上試驗與測試場的必要性

海洋可再生能源的開發(fā)利用是一把 “雙刃劍”，能量密度越高，發(fā)電裝置獲得的能量越多，但同時對發(fā)電裝置的破壞也越大。因此，一項海洋可再生能源開發(fā)利用技術(shù)的成熟應用，需要經(jīng)過大量的實驗室模擬試驗和海上現(xiàn)場試驗，需要在不斷的試驗中逐步完善。海上試驗作為海洋可再生能源裝置從工程樣機走向規(guī)模化應用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于提高裝置轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境適應性和可靠性、實現(xiàn)技術(shù)實用化，具有十分重要的意義。但是，在發(fā)電裝置進行海上試驗的前期，需要對試驗海域的海洋能資源狀況、水文氣象環(huán)境以及海底底質(zhì)等進行較長時間的調(diào)查，并開展裝置海底基礎建設、海底電纜鋪設等多項海上工程，這將耗費大量的人力物力，大大增加發(fā)電裝置海上試驗的成本和周期。因此，建設一個公共的海上試驗與測試場是解決這一問題的最有效途徑。

借鑒國外潮流能、波浪能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展的成功經(jīng)驗，除了政府政策激勵、大量資金投入外，一個關(guān)鍵因素就是建立海上試驗與測試場，以此推動海洋能技術(shù)發(fā)展。當前，我國潮流能、波浪能開發(fā)利用技術(shù)步入實海況試驗階段，大量的應用技術(shù)有待接受海上現(xiàn)場試驗的考驗。因此，無論從推動技術(shù)應用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，還是從成果轉(zhuǎn)化與運行的規(guī)范化管理來說，均需得到權(quán)威的第三方試驗、測試與評價，迫切需要建設一個公益性的國家海洋可再生能源開發(fā)利用技術(shù)試驗與測試平臺。

3 國內(nèi)外潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設進展現(xiàn)狀

海洋可再生能源開發(fā)利用處于領(lǐng)先的國家已開展了大量的海洋可再生能源裝置的測試與評價研究，相繼建立了國家、區(qū)域性的公益性海上試驗與測試場，為世界各國、各相關(guān)研發(fā)部門提供試驗、測試、評估、咨詢等各項技術(shù)服務，從而指導并促進海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅歐洲就建有波浪能、潮流能海上試驗場11個，其中波浪能海上試驗場8個、潮流能海上試驗場3個［8］。

目前世界上最先進、最成熟的當屬英國的歐洲海洋能源中心 （EMEC）［9］。它主要提供潮流能、波浪能的海上試驗與測試場。在歐盟委員會、英國以及蘇格蘭政府大力發(fā)展可再生能源的政策指引下，EMEC以成為國際知名的權(quán)威性海洋能轉(zhuǎn)換裝置測試及認證中心為核心發(fā)展目標，為海洋可再生能源的研發(fā)機構(gòu)提供一系列的測試與認證服務，包括提供與國家電網(wǎng)連接的主要測試設施，遠程實時數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，檢測與性能評價流程的校驗以及在設備檢驗批準過程中所需的全部指導和協(xié)助等。

該中心擁有位于奧克尼群島西南部Billia Croo的波浪能海上試驗場以及位于北部Eday島FallofWarness水道的潮流能海上試驗場。試驗場自1999年立項，到2003初步建成，僅政府投資的經(jīng)費就達1800萬英鎊，在2009年又獲得了蘇格蘭能源與氣候變化部 （DECC）提供的800萬英鎊的支持，進一步完善配套設施。自2003年建成后運行至今，先后有PWP公司的Pelamis、AWEnergy公司的Waveroller、AquamarinePower公司的Oyster以及OPT公司的Powerbuoy等波浪能裝置和OpenHydro公司的OpenHydro、挪威的E-Tide等潮流能裝置，先后在該試驗場進行了實海況并網(wǎng)試驗［9］。

此外，愛爾蘭海洋研究院 （MI）和愛爾蘭國立科克大學水動力和海事研究中心 （HMRC）聯(lián)合在戈爾韋灣建立了大比例樣機的測試基地，主要針對波浪能裝置進行測試，最大可支持到1／3模型比例的實海況試驗。丹麥于1997年啟動了國家波浪能源計劃，目前已在日德蘭半島西北部的NissumBredning建立測試中心，主要為裝置模型的制造和改進提供室內(nèi)和現(xiàn)場測試環(huán)境。美國俄勒岡州立大學自1998年起著手進行波浪能的開發(fā)計劃，并結(jié)合波浪能裝置的設計，在俄勒岡以外的海域建立用于波浪能測試的試驗站。除OSU設計開發(fā)的OSU波浪能浮標外，加拿大Finavera公司開發(fā)的AquaBuoy波浪能浮標以及TriAxys公司開發(fā)的浮標測波系統(tǒng)也先后加入到試驗站的測試中。

我國在2010年海洋可再生能源專項資金的資助下，由國家海洋技術(shù)中心牽頭，聯(lián)合中國海洋大學等國內(nèi)高校、勘察院、工程公司共5家單位共同開展了潮流能、波浪能海上試驗與測試場的選址論證和初步工程設計工作［10］。

4 潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設主要問題

為促進我國潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設的有效開展，根據(jù)我們對國際先進的海上試驗場研究分析，我國潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設需重點考慮海洋環(huán)境、測試設備及方法研究3個技術(shù)問題。

4.1 潮流能、波浪能裝置海上試驗與測試條件

潮流能、波浪能發(fā)電裝置進行海上試驗的前提條件是所使用的海域在符合國家相關(guān)政策規(guī)定的前提下，物理環(huán)境滿足裝置運行的最低能量密度需求，這也決定著試驗場在不同空間、不同能種上的合理布局。

海上試驗與測試場的物理條件決定著試驗場地的選擇，首先應進行備選試驗海域的資源調(diào)查與評估，確保潮流、波浪基本要素滿足發(fā)電裝置正常啟動與運行的環(huán)境要求，同時發(fā)電裝置能經(jīng)受住場地地形、潮流、波浪等環(huán)境條件的不利影響，例如，海流具有隨季節(jié)遷移的特性，因此，場地選擇時應該考慮海域劃定范圍內(nèi)海流在重新定位時潛在能力足以滿足長期發(fā)電試驗與測試要求，同時也應考慮潮流分層現(xiàn)象［11－12］。

陸上與海上施工條件是試驗場建設應考慮的另一重要條件。陸上與海上工程涉及交通、道路、設施、通信、并網(wǎng)、海上平臺、海底電纜等多方內(nèi)容［13］，因此，施工的難易程度、成本代價以及對周圍生態(tài)和人文社會環(huán)境的影響均應予以考慮。

4.2 潮流能、波浪能海上測試設備

潮流能、波浪能海上測試設備是為潮流能、波浪能發(fā)電裝置效率進行評價的基礎手段，其測量準確度和長期有效運行決定著試驗場的有效生命周期。

測試設備主要包括環(huán)境測量設備、功率測量裝置和狀態(tài)監(jiān)測設備。環(huán)境測量設備主要用于測量發(fā)電裝置試驗泊位的海流 （或波浪）、溫度、鹽度等環(huán)境參數(shù)，為能量轉(zhuǎn)換效率的測試評價提供準確的環(huán)境測量數(shù)據(jù)［11－12］。功率測量裝置主要用于測量發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓或電流以測定實時功率值，該裝置應盡可能靠近與電力網(wǎng)絡連接點，以保證測定的有效凈輸出功率提供到電力網(wǎng)絡。狀態(tài)監(jiān)測設備主要用于連續(xù)不斷或經(jīng)常性地測量發(fā)電裝置運行參數(shù)，用以判斷發(fā)電裝置的利用率。

4.3 試驗與測試評價方法、評定標準

海上試驗與測試評價方法、評定標準的制定是試驗場建設的核心目標，這將為我國海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)準入制度的建立提供有利的技術(shù)支撐與服務。

測試與評價內(nèi)容包括實海況轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境適應性、可靠性及并網(wǎng)發(fā)電等。對潮流能、波浪能2類能種裝置的實海況轉(zhuǎn)換效率的測試與評價，首先需要確定2種能量的實際海況理論計算方法，然而每一類裝置中的發(fā)電原理、結(jié)構(gòu)設計和發(fā)電特性均具有多樣性，因此理論能量輸入功率的計算方法也各不相同。環(huán)境適應性與可靠性是評定發(fā)電裝置設計成功與否的重要標準，是促進技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化進程的有力保障，評價方法應依種類的不同而具有針對性。并網(wǎng)發(fā)電是發(fā)電裝置實現(xiàn)商業(yè)化的重要標志。測試的基礎是發(fā)電裝置單機與電站整體的電氣數(shù)學模型，同時，還要針對發(fā)電裝置供電間歇性強、電壓與頻率波動性明顯等諸多問題提出合理的測試方法與評定標準。

5 我國潮流能、波浪能建設海上試驗與測試場的幾點建議

潮流能、波浪能海上試驗與測試場的建設將是一項復雜的系統(tǒng)工程。它應是一個公益性的海洋可再生能源開發(fā)利用技術(shù)服務體系，提供最具權(quán)威性的試驗、檢驗、評價、鑒定平臺和手段。因此，在我國試驗場規(guī)劃建設過程中提出以下3點建議。

5.1 試驗場建設需國家專項支持、統(tǒng)一規(guī)劃

我國潮流能、波浪能海上試驗與測試場的建設是推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的公益服務平臺，而又具有高風險、高投入的特點，因此，需統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實施，前期建設需政府主導、國家專項資金的持續(xù)支持。

5.2 試驗場建設需立足內(nèi)需、與國際接軌

我國潮流能、波浪能海上試驗與測試場的建設在具有我國資源特色、滿足我國國內(nèi)廣大裝置研發(fā)用戶海上試驗需求的同時，應積極開展國際合作，與國際海上試驗、測試、評價的標準與規(guī)程相符，為我國海洋能裝置的國際化發(fā)展奠定基礎。

5.3 需建立我國測試認證體系

近幾年，國家對海洋可再生能源的高度重視為海洋可再生能源利用技術(shù)的進步帶來了前所未有的發(fā)展機遇，同時，也出現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化中試環(huán)節(jié)代價大而極度缺乏的問題，因此，建立科學有效的潮流能、波浪能發(fā)電裝置測試認證體系是促進其產(chǎn)業(yè)規(guī)范化發(fā)展的有力保障。

海上試驗、測試與評定是海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。建立開放的國家海上試驗與測試場、提供綜合技術(shù)服務體系已刻不容緩。但這是一項高風險、高投入的國家公益事業(yè)，需要國家和社會各界的共同努力。

［1］ 羅續(xù)業(yè).我國波浪能、潮流能海上試驗場建設［R］.第一屆中國海洋可再生能源發(fā)展年會暨論壇.2012.

［2］ 中國市場調(diào)查網(wǎng).2012－2016年中國海洋能行業(yè)市場深度剖析及投資戰(zhàn)略咨詢報告［EB／OL］.（2012－04－18）［2012－05－10］.http：／／www.cnscdc.com／79909.html.

［3］ IHSMarketStudyExcerpt.GlobalOceanEnergy MarketsandStrategies：2010－2013［EB／OL］.（2010－10－05）［2012－05－10］.http：／／www.emerging－energy.com／uploadDocs／Excerpt＿GlobalOceanEnergyMarketsandStrategies2010.pdf.

［4］ MarineCurrentTurbines.World’sfirstcommercial－scaletidalpowersystemfeedselectricitytothe NationalGrid［EB／OL］.（2008－07－17）［2012－05－10］.http：／／www.marineturbines.com／3／news／article／10／world＿s＿first＿commercial＿scale＿tidal＿power＿system＿feeds＿electricity＿to＿the＿national＿grid＿＿.

［5］ PelamisWavePower.ScottishPowerRenewables’PelamismachinearrivesinOrkney［EB／OL］.（2011－11－07）［2012－05－10］.http：／／www.pelamiswave.com／our－projects.

［6］ OceanNewsandTechnology.EditorialFocus：OPT PowerBuoyUpdate［EB／OL］.［2013－01－11］.http：／／www.ocean－news.com／home／1059－editorial－focus－opt－powerbuoy－update.

［7］ Implementingagreementonoceanenergysystems internationalenergyagency.oceanenergy：global technologydevelopmentstatus［EB／OL］.（2009－03）［2012－05－10］.http：／／www.energybc.ca／cache／tidal／annex＿1＿doc＿t0104－1.pdf.

［8］ NathalieRousseau，MicheleRosa－Clot，F(xiàn)elixDanos.ReportonthestateofoceanenergyinEurope：technologies，testsites，andjointprojects［R］.EuropeanOceanEnergyAssociation.March2010.P（5－1－5－4）.

［9］ Wikipedia.EuropeanMarineEnergyCentre［EB／OL］.（2012－10－15）［2013－01－11］.http：／／en.wikipedia.org／wiki／European＿Marine＿Energy＿Centre.

［10］ 國家海洋技術(shù)中心.波浪能、潮流能海上試驗與測試場建設論證及工程設計實施方案［Z］.2010.

［11］ EMEC.AssessmentofPerformanceofTidalEnergyConversionSystems［S］.UK：TheEuropean MarineEnergyCentreLtd.2009.

［12］ EMEC.AssessmentofPerformanceofWaveEnergyConversionSystems［S］.UK：TheEuropean MarineEnergyCentreLtd.2009.

［13］ EMEC.EMECTidalTestFacilityFallofWarness Eday，OrkneyEnvironmentalStatement［EB／OL］.（2005－06－13）［2012－05－10］.http：／／www.emec.org.uk／download／Fall＿of＿Warness＿ES＿Aurora＿2005.pdf.

波浪能、潮流能海上試驗與測試場建設論證及工程設計（GHME2010ZC10）.