某波浪能與潮流能海上測試場總體布置設(shè)計

鐘 耀 ，孫 莉 ，劉功鵬

（1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；2.中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

受氣候變化和能源價格上漲的影響，海洋能利用在國際上日益受到重視。波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電是海洋能中技術(shù)相對成熟和具備商業(yè)化開發(fā)前景的兩種能源開發(fā)利用方式，國內(nèi)、外科研院所正不斷推出不同類型的波浪能和潮流能發(fā)電裝置。

實海況試驗是波浪能、潮流能裝置從工程樣機走向規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為建立權(quán)威完整的設(shè)備測試認證體系，降低設(shè)備測試成本，促進設(shè)備技術(shù)發(fā)展，國外已由政府統(tǒng)一部署建成多個波浪能、潮流能測試場，如英國的歐洲海洋能中心（EMEC），愛爾蘭的Galway灣試驗基地，丹麥的Nissum Bredning測試中心，美國的Oregon波能測試站。我國波浪能、潮流能設(shè)備測試場還尚未起步，與發(fā)達國家存在著較大的差距。

本文依托海洋可再生能源專項資金項目重點支持項目研究成果，對波浪能與潮流能海上測試場總體布置設(shè)計進行研究。

1 波浪能與潮流能測試場選址要求分析

波浪能、潮流能海上試驗與測試場的選址布置主要參考海洋能資源狀況、水文氣象環(huán)境、海底底質(zhì)情況、自然災(zāi)害區(qū)、交通環(huán)境條件以及地方政策與規(guī)劃等因素，便于裝置試驗和試驗場后期建設(shè)與運維。

參考國內(nèi)外有關(guān)案例和本項目所在海域海洋能狀況及海洋環(huán)境條件，波浪能和潮流能備選場區(qū)的選址要求環(huán)境、規(guī)模要求如下。

1.1 波浪能測試場的環(huán)境條件要求

（1）海域特征。海面開闊，場址內(nèi)無 （或極少）島礁與大型海上構(gòu)筑物對波浪造成遮擋。

（2）水深深度為10～50 m，局部海域可達60 m。

（3）波高。年平均波高大于0.5 m （全年中，平均波高大于0.5 m的月份應(yīng)多于7個月），每年一遇大波波高小于6 m。

（4）波周期。年平均波周期2～6 s。

（5）其他要求。近岸2 km海域地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，地形不復(fù)雜，利于坐底式裝置的安裝與布放。自然災(zāi)害不頻繁海區(qū)，符合地方功能區(qū)劃，交通便利。

1.2 潮流能測試場的環(huán)境條件要求

（1）水深深度為10～50 m。

（2）流速大于0.5 m/s，小于3 m/s。

（3）流向基本穩(wěn)定。

（4）其他要求。流向相對穩(wěn)定近岸2 km海域地質(zhì)機構(gòu)穩(wěn)定，地形不復(fù)雜，底質(zhì)非淤泥。自然災(zāi)害不頻繁海區(qū)，符合地方功能區(qū)劃，交通便利。

1.3 測試場的規(guī)模要求

測試場的功能應(yīng)滿足對多個波浪能裝置和潮流能裝置的比例樣機和實尺樣機進行長期海上測試和評估的要求。整個系統(tǒng)由波浪能裝置測試泊位、潮流能裝置測試泊位、岸上變電集控中心組成。

根據(jù)目前裝備的研究進展情況及發(fā)展預(yù)期，測試場總體要具有同時對8個百千瓦級海洋能獲能裝置進行測試的能力，包括4個波浪能裝置，4個潮流能裝置。各獲能裝置因類型不同，裝機容量不等，考慮測試場實際條件，因此分別設(shè)置4個波浪能裝置測試泊位和4個潮流能裝置測試泊位，每個泊位上裝置的裝機容量不大于300 kW。各電氣設(shè)備及電纜均以裝置的最大峰值輸出功率為300 kW來進行設(shè)計。各泊位可根據(jù)實際情況分期建設(shè)，預(yù)留擴建條件。

岸上集控中心用于岸上對測試場中各泊位試驗測試的海洋能裝置發(fā)出的電力進行變換傳輸以及對各裝置運行狀況和參數(shù)、測試場的環(huán)境及海洋動力要素監(jiān)測數(shù)據(jù)進行接收和處理，并對試驗裝置的運行進行遠程控制。

2 某測試場的資源條件計算

2.1 某測試場的波浪能資源計算成果

對工程海域2001年～2010年的能流密度做多年年平均分析如圖1所示。由圖1可以看出，年平均的波浪能流密度量值分布在1.0～3.5 kW/m，從外海東北向西南遞減，與年平均的波浪分布相似。東北側(cè)受風(fēng)的影響最大，面向開闊海域，受到來自北部渤海和東側(cè)黃海的波浪影響，波浪能流密度最大。南側(cè)由于陸地阻擋，主要受到來自東南部海域的波浪作用，能流密度較小。

圖1 2001年～2010年10年平均能流密度等值線分布示意（單位:kW/m）

2.2 某測試場的潮流能計算成果

圖2為某測試場海域年最大潮流密度分布圖，從圖中可以看出，最大能流密度的分布規(guī)律與最大可能流速分布情況大致相同，年最大能流密度高值區(qū)域出現(xiàn)在陸域尖角以東海域，最大值可達4 kW/m2以上，向四周呈遞減趨勢。

圖2 年最大能流密度分布示意（單位:kW/m2）

3 某測試場的總體布置設(shè)計

3.1 場址選擇

根據(jù)選址要求分析和資源條件計算成果，某測試場選擇工程海域東側(cè)距岸約2 km、面積為2 km×3 km（6 km2）的矩形海域為波浪能試驗測試場場址；選擇工程海域東南側(cè)距岸約1 km、面積為2 km×3 km （6 km2）的平行四邊形海域為潮流能試驗測試場場址；選擇西側(cè)較為平坦的位置為試驗測試場的集控中心所在地，如圖3所示。

圖3 波浪能、潮流能海上試驗與測試場場址平面布局示意

潮流能測試站位L1、L2、L3、L4大致位置見圖3，具體選址時還應(yīng)綜合考慮各方面因素，在滿足裝置施工的水深與地質(zhì)條件的前提下，要保證各站位潮流能裝置之間不會發(fā)生流場的干擾與遮擋，為滿足此條件，相鄰站位在與潮流垂直的方向 （東北－西南）的距離建議大于200 m，推薦300～400 m左右為宜，具體裝置安裝位置根據(jù)站位區(qū)域流速、水深與地質(zhì)詳細勘測之后確定。每個潮流能測試站位離岸距離以1～2 km為宜，在能滿足潮流流速與水深地質(zhì)條件的前提下盡可能減少電纜鋪設(shè)距離。

波浪能測試站位B1、B2、B3、B4大致位置見圖3所示，具體選址要根據(jù)波浪能裝置的安裝布放要求，綜合考慮水深和海底地質(zhì)條件來定。為減少各站位間波浪能的影響，建議相鄰站位在與主浪向的垂直方向間距不小于200 m，各波浪能站位離岸距離以2.5～5 km為宜，在能滿足浪高和水深地質(zhì)條件的前提下盡量靠近岸邊 （不小于2 km），減少電纜長度。

3.2 系統(tǒng)組成及布置

本文波浪能、潮流能試驗測試場主要由波浪能試驗測試場、潮流能試驗測試場、海底電纜、集控中心組成，另外還包括海洋動力要素觀測裝置和航標燈等輔助設(shè)施，如圖4所示。

波浪能試驗測試場設(shè)置4個裝機功率為百千瓦級的試驗測試站位，為便于波浪發(fā)電裝置的試驗和測試，每個裝置通過獨立的海底電纜與岸上的集控中心連接。潮流能試驗測試場設(shè)置4個裝機功率為百千瓦級的試驗測試站位，為便于潮流發(fā)電裝置的試驗和測試，每個裝置通過獨立的海底電纜與岸上的集控中心連接。

電力傳輸采用10 kV電壓海底電纜，試驗測試裝置與海底電纜的連接采用標準的接口。在集控中心波浪能和潮流能試驗測試場的電力變換與測控系統(tǒng)獨立設(shè)置，經(jīng)變換后的電能匯集后并入電網(wǎng)。

圖4 波浪能、潮流能海上試驗與測試場布局示意

4 結(jié) 語

本文通過對某波浪能與潮流能測試場的選址要求分析和資料條件計算，對某測試場進行了初步布置，得出以下結(jié)論:

（1）波浪能與潮流能測試場選址條件苛刻，尤其是環(huán)境條件要求高，合適的環(huán)境能有效的測試研發(fā)裝置的性能。

（2）進行測試場的總體布置前需對測試場的資源條件進行調(diào)查與計算，本文依托的海域年平均的波浪能流密度量值分布在1.0～3.5 kW/m；年最大能流密度高值區(qū)域出現(xiàn)在陸域尖角以東海域，為3.8～4 kW/m2，可見本海域是比較理想的測試場位置。

（3）波浪能、潮流能試驗測試場主要有波浪能試驗測試場、潮流能試驗測試場、海底電纜、集控中心組成。另外還包括海洋動力要素觀測裝置和航標燈等輔助設(shè)施。

（4）本文對測試場布置進行了初步探討，鑒于目前國內(nèi)數(shù)十家科研院所研制出幾十款波浪和潮流能發(fā)電裝置，我國應(yīng)早日建成綜合測試場，波浪能、潮流能海上試驗與測試場的建成與投入使用，將大大節(jié)省波浪能、潮流能裝置實海況試驗前期調(diào)查與海上基礎(chǔ)工程建設(shè)的經(jīng)費與時間，極大推動波浪能、潮流能開發(fā)利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。