潮流能裝置年發(fā)電量估算方法研究

王鑫，武賀，王靜，張巍

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

在目前全球能源危機與環(huán)境問題日益突出的背景下，潮流能這一可再生能源日益顯現(xiàn)出其廣闊的開發(fā)利用前景。在各國清潔能源激勵政策與新興能源產(chǎn)業(yè)推動政策的共同作用下，潮流能開發(fā)利用技術(shù)進入一個前所未有的快速發(fā)展階段。潮流能裝置的年發(fā)電量是其運行效果的重要評判依據(jù)之一，但通過統(tǒng)計裝置長時間運行的累計電量來確定其年發(fā)電量，需要耗費大量的人力物力，且在現(xiàn)場惡劣環(huán)境下監(jiān)測裝置本身的損壞與丟失也時有發(fā)生，顯然這種方法的可操作性較差。鑒于此，本文的研究基于統(tǒng)計分析相關(guān)原理，對短期現(xiàn)場監(jiān)測獲得的潮流數(shù)據(jù)和電功率輸出數(shù)據(jù)進行分析，進而實現(xiàn)了對裝置年發(fā)電量的估算，從而為評判潮流能裝置的運行效果提供了更具可操作性的方法。

1 數(shù)據(jù)獲取

為獲得用于估算的潮流數(shù)據(jù)和電功率輸出數(shù)據(jù)，在潮流能裝置正前方來流方向設(shè)置潮流觀測儀，布放的儀器距潮流能裝置的距離既夠保證測得流速代表裝置布放位置流速，又可避免潮流能裝置受到流速儀器引起的渦旋與渦流影響。根據(jù)裝置運行的具體環(huán)境，一般取大于10 倍裝置葉輪直徑的距離布放測流裝置。對于雙向流發(fā)電的潮流能裝置，則需要在裝置前后各設(shè)置一臺潮流觀測儀，以保證在潮流能裝置正反向發(fā)電時，均能夠獲得來流方向的流速。在大潮潮差日至小潮潮差日之間連續(xù)觀測15 d，對于在正規(guī)半日潮或正規(guī)日潮海域連續(xù)觀測7～8 d（The European Marine Energy Centre Ltd，2009）。

由潮流觀測儀測試潮流能裝置設(shè)置處潮流流速，由潮流能裝置電力輸出端設(shè)置的電功率檢測儀測試電功率數(shù)據(jù)，潮流測試與電功率測試需同步進行。每5 min 獲得一次平均潮流流速數(shù)據(jù)，同時每5 min 獲取一次平均電功率數(shù)據(jù)，每個潮流流速數(shù)據(jù)需與同時間段采集的電功率數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。相對應(yīng)的每一個潮流流速數(shù)據(jù)與電功率數(shù)據(jù)組成一個數(shù)據(jù)點。

潮流流速低于潮流能裝置的最低設(shè)計運行流速或高于最高設(shè)計運行流速時，潮流能裝置會停止工作，對于單向發(fā)電的潮流能裝置而言，反向來流時裝置也會停止工作，裝置停止工作期間沒有電力輸出，在進行數(shù)據(jù)分析處理前需要將上述潮流數(shù)據(jù)篩選出來并剔除掉。

2 數(shù)據(jù)分析

分析裝置的功率特性之前，需要首先將獲得的數(shù)據(jù)點進行分組，分組依據(jù)每個數(shù)據(jù)點所包含流速值的大小來進行，劃分到每組的數(shù)據(jù)點，均是滿足其包含的流速值大于等于某一流速值，且小于另一流速值的數(shù)據(jù)點，作為下限的流速值定義為組的起點，作為上限的流速值定義為組的終點。因為分組的目的是對被測試的潮流能裝置進行功率特性分析，所以所分的組就命名為分析區(qū)間，則組的起點和終點，即為分析區(qū)間的起點和終點，每個分析區(qū)間終點值和起點值的差值定義為該分析區(qū)間的區(qū)間寬度。劃分的所有分析區(qū)間需首尾相連，區(qū)間與區(qū)間之間無重合，且保證所有的數(shù)據(jù)點均能夠且僅能夠分入一個所劃分的分析區(qū)間中。

進行潮流能功率特性分析時，分析區(qū)間的區(qū)間寬度取0.2 m，保證有不少于10 個數(shù)據(jù)點落入每個分析區(qū)間中，如落入某個分析區(qū)間的數(shù)據(jù)點少于10 個，則可擴大分析區(qū)間寬度，以增加落入?yún)^(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)點，但分析區(qū)間寬度不大于0.3 m。分析區(qū)間確定后，考查各數(shù)據(jù)點所包含的流速值，則根據(jù)流速值的大小，所得到的數(shù)據(jù)點會落入不同的分析區(qū)間，將每個區(qū)間中數(shù)據(jù)點的流速值與電功率值分別作算術(shù)平均，每個分析區(qū)間的流速與電功率算術(shù)平均值構(gòu)成該分析區(qū)間的代表數(shù)據(jù)點。利用計算得到的各分析區(qū)間代表數(shù)據(jù)點，利用三次最小二乘法對代表數(shù)據(jù)點進行數(shù)值擬合，獲得裝置的功率輸出功率特性曲線。最后，統(tǒng)計落入每個分析區(qū)間的數(shù)據(jù)點個數(shù)在數(shù)據(jù)點總數(shù)中所占的比例，全年按8 760 小時計算，利用此前計算得到的各分析區(qū)間的代表數(shù)據(jù)點中包含的電功率算數(shù)平均值，利用如下公式估算出裝置的年發(fā)電量（盛驟等，1999）。

式中：AEP 為年發(fā)電量；hAE為全年小時數(shù)；n 為參與計算的分析區(qū)間個數(shù)；ai為落入第i 個分析區(qū)間的數(shù)據(jù)點個數(shù)；pi為第i 個分析區(qū)間的代表輸出功率；N 為數(shù)據(jù)點總數(shù)；

3 實測數(shù)據(jù)驗證

本文以2011年12月24日-12月29日（農(nóng)歷初一朔望大潮期），依照前文所述數(shù)據(jù)獲取方法，對岱山10 kW 潮流能發(fā)電裝置開展測試獲得數(shù)據(jù)為例說明方法的具體分析步驟，同時利用該潮流能裝置長期運行獲得的歷史數(shù)據(jù)，對本方法科學(xué)性進行比對說明。本次測試選用浪龍作為測流設(shè)備，得到的垂向剖面上的流速，分為4 層，1-4 層距底的距離分別為1.5 m、2.5 m、3.5 m 和4.5 m，對剖面流速進行垂向平均，作為該時刻的平均流速進行分析。

電能輸出功率計算公式：

式中：P 為輸出功率，單位瓦（W）；UDC為蓄電池電壓，單位伏特（V）；ID為充電電流，單位安培（A）

此次觀測每5 min 獲得1 組潮流數(shù)據(jù)，共獲得1 331 組，獲得數(shù)據(jù)范圍為0～2.48 m/s，分成若干區(qū)間：小于0.6 m/s 的流速為范圍Ⅰ；0.6～2.6 m/s流速為范圍Ⅱ，該范圍內(nèi)區(qū)間寬度取0.2 m/s。檢測試驗獲得的全部1 331 個數(shù)據(jù)，落入范圍Ⅰ的基本數(shù)據(jù)記錄點數(shù)共為259 個，落入范圍Ⅱ的基本數(shù)據(jù)記錄點共為1 072 個（圖1 和表1）。統(tǒng)計落入各區(qū)間的流速值，取區(qū)間內(nèi)的所有流速值的算術(shù)平均值，將獲得的流速值，作為該區(qū)間的代表流速值。

圖1 各區(qū)間流速數(shù)據(jù)個數(shù)統(tǒng)計圖

表1 各區(qū)間代表流速和代表輸出功率數(shù)據(jù)表

每5 min 取一次電平均輸出功率，此次檢測共獲得506 個數(shù)據(jù)。獲得電平均輸出功率數(shù)與同時段的各流速值對應(yīng)，將各流速區(qū)間內(nèi)與流速對應(yīng)的電輸出功率值取算術(shù)平均，得到值作為該區(qū)間代表電輸出功率值。

代表流速與代表電輸出功率作為該區(qū)間的代表點，該點可以較準(zhǔn)確反映對應(yīng)流速下的電功率輸出特性，將各代表點做擬合處理，得出潮流能系統(tǒng)功率輸出特性曲線（圖2）。

可依式（1）、（2），全年小時數(shù)hAE取8 760，計算得到數(shù)據(jù)點總數(shù)N 取1 688，參與計算的分析區(qū)間個數(shù)n 取11，計算得到裝置全年連續(xù)正常運行的情況下，其年發(fā)電量約為19 896 千瓦時。

4 結(jié)論

圖2 潮流能系統(tǒng)輸出功率特性曲線

本文的研究成果基于短期的實海況觀測，對潮流能裝置的年發(fā)電量進行評價，評價周期短，評價成本低，且評價方法具有可靠的理論依據(jù)，可為政府科技主管部門的項目驗收，科研機構(gòu)的技術(shù)研發(fā)與改進，以及企業(yè)的投資技術(shù)選型，提供科學(xué)參考依據(jù)，該方法已在相關(guān)項目成果驗收的過程中得到了很好的應(yīng)用。當(dāng)然，應(yīng)該看到，不同月份大潮的潮位流速變化通常是不完全相同的，利用短期的觀測結(jié)果估算年發(fā)電量會產(chǎn)生一定的誤差，如可獲得當(dāng)?shù)馗L時間的潮流歷史資料，結(jié)合該方法，則可明顯提高估算結(jié)果的質(zhì)量。此外，本文所述方法對于波浪能裝置年發(fā)電量的估算同樣適用。

The European Marine Energy Centre Ltd, 2009. Assessment of Performance of Wave Energy Conversion Systems,Marine Renewable Energy Guides.

The European Marine Energy Centre Ltd, 2009. Assessment of Performance of Tidal Energy Conversion Systems,Marine Renewable Energy Guides.

The European Marine Energy Centre Ltd,2009.Assessment of Tidal Energy Resource,Marine Renewable Energy Guides.

The European Marine Energy Centre Ltd,2009.Guidelines for Manufacturing,Assembly and Testing of Marine Energy Conversion Systems,Marine Renewable Energy Guides.

盛驟，謝世千，潘承毅，1999年3月，《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》，高等教育出版社.