波浪能發電系統性能評估方法研究

王項南 ，李雪臨 ，王 靜 ，路 寬 ，楊 磊 ，趙 強 ，許 淵

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.中國電力科學研究院，北京 100085）

波浪能發電系統性能評估方法研究

王項南1，李雪臨1，王 靜1，路 寬1，楊 磊1，趙 強2，許 淵2

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.中國電力科學研究院，北京 100085）

波浪能發電系統的性能評估是衡量其設計優劣、促進其產業化進程的關鍵，建立具有可操作性的波浪能發電系統性能評估方法尤為必要。從功率、效率和經濟性三個方面給出了波浪能發電系統性能的定量評估指標，以實際測量的入射波浪記錄和發電系統輸出功率記錄為基礎數據，探討了各項評估指標的計量計算方法，為波浪能發電系統的性能評估提供理論參考依據。

波浪能發電系統；性能評估；評估指標

波浪能指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，主要是由海洋上的風能轉化而來，而風能又來源于太陽能，因此波浪能是一種綠色無污染的可再生能源。波浪能又是海洋中分布最廣、最豐富的可再生能源，國際能源署2006年公布的統計數字表明，全球可開發利用的波浪能約為80 000 TWh/a，占海洋能資源總量的86%，是當年全球電產量的4.6倍[1]。每平方米內可利用的波浪能約為風能或太陽能的15～20倍[2]。我國的海洋波浪能資源蘊藏量比較豐富，根據“908”近海可再生能源專項調查與評價結果，我國近海離岸20 km一帶的波浪能蘊藏量達到1 599.52萬kW[3]，具有廣闊的開發和利用前景。我國對波浪能發電系統的研究始于20世紀70年代，具備一定的研究基礎并已突破關鍵技術，且近年來國家對海洋能開發利用十分重視，現已有波浪能發電系統進入了產業化前的實海況示范運行階段。但目前國家還未出臺相應的性能評價標準，因此建立可操作的波浪能發電系統性能評估方法勢在必行。

波浪能發電系統的性能評估首先通過波浪觀測系統的現場測量，結合近岸的波浪數值模型，對發電系統所在海域波浪能資源的時空分布加以評估；并在實測波浪參數的同時，對發電系統的輸出功率進行現場測量，進而評估波浪能發電系統的性能，評估流程如圖1所示。本文將著重探討波浪能發電系統性能的評估方法，基于實測數據給出波浪能發電系統性能的定量評估指標，以期為實際測試中波浪能發電系統的性能評估提供參考依據。

圖1 波浪能發電系統性能評估流程圖

1 波浪能發電系統性能評估的主要指標

波浪能發電系統性能評估的目的是通過對入射波浪能量和發電系統輸出功率的測量和計算，衡量發電系統的設計優劣并促進其產業化進程。本文主要從發電功率評估、效率評估和經濟性評估三個方面給出了波浪能發電系統的性能評估指標，如圖2所示。其中功率指標包括功率矩陣和性能矩陣，效率指標包括系統轉換效率和俘獲寬度比，經濟性指標包括容量系數和可利用率。

2 評估指標所需數據的獲取

圖2 波浪能發電系統性能評估指標

本文用于計算評估指標的基礎數據來源于現場測量的入射波浪記錄和發電系統輸出功率記錄，以固定的時間間隔Δt（一般取30 min～3 h）分別將它們劃分成N個記錄片段，即得到N組對應的入射波面和輸出功率的時間序列。對其處理之后可得N組關于有效波高、能量周期、入射方向譜參數、入射波功率密度、輸出平均功率等數據結果，用于各項性能評估指標的統計計算。其中，輸出功率記錄的處理相對簡單，主要統計其時間平均值。對于入射波浪記錄，采用海浪譜估計理論[4]，將波浪能功率密度P表示為：

式中：ρ為海水密度；g為重力加速度；d為水深；f為頻率；θ為波向；Cg(f,d)為波浪群速；S(f,θ)為方向譜密度函數。深水條件下，上式可由有效波高Hm0和能量周期Te表示為更常用的形式：

式中：能量周期Te定義為具有與實海況波浪相同能量的單頻波浪對應的波浪周期[5]。Hm0和Te是波浪能發電系統功率和效率評估指標中的重要參數，可由海浪譜矩計算得到：

式中：mn（n=-1，0）代表第n階譜矩，其定義為：

3 波浪能發電系統性能評估指標解析

3.1 功率指標

3.1.1 功率矩陣

功率矩陣是目前評估波浪能發電系統性能的常用指標，它描述了不同海況下波浪能發電系統的輸出功率大小。其縱坐標為有效波高Hm0，橫坐標通常為能量周期Te（或譜峰周期）。縱坐標步長ΔHm0一般取0.5 m，橫坐標步長ΔTe可取0.5 s或1.0 s，根據測試海域的實際海況選擇。假設某矩陣單元對應的有效波高下限值和上限值分別為HL和HH，能量周期下限值和上限值分別為TL和TH，則該單元的標號由坐標上限值來確定。如果某組測量數據的入射波要素滿足HL＜Hm0≤HH且TL＜Te≤TH，則將其對應的發電系統平均輸出功率值分派到該矩陣單元內。如此反復，將N個平均輸出功率值分派到相匹配的矩陣單元中，對每個單元內的多個功率值取簡單算術平均即得到功率矩陣。圖3給出了波浪能發電系統的功率矩陣示意圖。

圖3 波浪能發電系統的功率矩陣示意圖[6]（功率單位：kW）

然而，功率矩陣并不能反映除了有效波高和能量周期之外的海況參數（如海浪譜型和方向分布等）對波浪能發電系統性能的影響。在具有相同的有效波高和能量周期的不同海況下，由于海浪譜型的變化（可能出現雙峰或多峰譜）會造成同一波浪能發電系統性能的明顯差異。只有當海浪譜能較好地匹配發電系統的響應特性時，才能夠獲取預期的發電性能[7]。因此，僅給出功率矩陣是不全面的，還需要通過性能矩陣來進一步評估波向和海浪譜型變化等因素對波浪能發電系統性能的影響程度。

3.1.2 性能矩陣

性能矩陣為一系列形如功率矩陣的圖表，其中除了平均功率矩陣之外，還包括最大功率矩陣、最小功率矩陣和功率標準差矩陣等，這些矩陣的統計過程類似于功率矩陣，不同的是最后對分派到每個矩陣單元內的輸出功率分別取其最大值、最小值和標準差等。圖4給出了波浪能發電系統的性能矩陣示意圖（圖中簡化了矩陣單元的數量）。通過性能矩陣可以判斷波浪能發電系統的性能對波向和海浪譜型變化的敏感程度：如果性能矩陣每個單元內對應的平均功率、最大功率值和最小功率值比較接近，且相應的標準差也比較小，說明波浪能發電系統對波向和海浪譜型的變化不敏感，這意味著平均功率矩陣可以準確地描述該區域海況與波浪能發電系統輸出功率之間的關系；相反地，如果性能矩陣每個單元內對應的平均功率、最大功率值和最小功率值之間差別較大，且具有相對較高的標準差，則說明波浪能發電系統的性能對波向和海浪譜型的變化較為敏感，還需要引入相應參數進一步分析研究。

圖4 波浪能發電系統的性能矩陣示意圖[8]

3.2 效率指標

3.2.1 系統轉換效率

系統轉換效率η定義為測試期間波浪能發電系統的平均輸出功率EOUT與可利用的總波浪能EA的比值：

式中：EA為測試期間N組數據對應的入射波浪能量的總和：

式中：Psea為Δt時間內的波浪能入射波浪功率；Lm為理論極限俘獲寬度。

對于不同類型的波浪能發電系統，其波浪能俘獲裝置的運動模態不同，對應的理論極限俘獲寬度Lm也不同。表1給出了不同能量俘獲方式的波浪能發電系統對應的理論極限俘獲寬度[9]（其中λ為入射波長）。

表1 不同能量俘獲方式的波浪能發電系統的理論極限俘獲寬度

3.2.2 俘獲寬度比

式中：L為測試期間N組數據對應的俘獲寬度L的平均值。

俘獲寬度L的物理意義為波浪能發電系統可獲取入射波浪的波前寬度為L范圍內的波浪能量，其定義為：

式中：Psea為Δt時間內的入射波浪功率密度（kW/m），由式(1)求得。對于PW（kW），現有文獻中有兩種理解，一種為Δt時間內波浪能發電系統中能量俘獲裝置的平均輸出功率，此時得到的俘獲寬度比即所謂的一級轉換效率；另一種即Δt時間內整個波浪能發電系統的平均輸出功率，用其對應的俘獲寬度比替代發電系統轉換效率的概念[10]。依據評估指標的獨立性原則，本文采用前一種定義以區別于系統轉換效率，此時的俘獲寬度比用于評估波浪能發電系統中能量俘獲裝置的設計優劣。但在實際測試中，實時測量能量俘獲裝置的輸出功率難度較大，因此本文將俘獲寬度比作為評估波浪能發電系統性能的備選效率指標。

3.3 經濟性指標

3.3.1 容量系數

容量系數表征了波浪能發電系統在測試期間能否連續高效運行的特性，決定了波浪能發電系統的發電成本，是衡量其設計優劣的主要指標之一。容量系數CF定義為：

式中，PWECS為Δt時間內波浪能發電系統的平均輸出功率；Pr為波浪能發電系統的額定功率。測試期間N組數據對應的容量系數的平均值即平均容量系數。

3.3.2 可利用率

可利用率表征了波浪能發電系統在測試期間無故障、免維護正常運行的能力，從可靠性的角度也體現了波浪能發電系統運行的經濟性。可利用率通常可由式（10）得到：

需要注意的是，波浪能發電系統正常運行的時間包含了系統因極端海況進入生存模式（系統輸出功率為0）但沒有故障發生時的運行時間。

4 結論

本文基于實測數據從功率、效率和經濟性3個方面給出并分別解析了波浪能發電系統的性能指標，為波浪能發電系統的性能評估提供了理論參考依據。但本文中的功率矩陣基于測量數據而非計算數據，因此對應較大有效波高和能量周期的矩陣單元內的實測值較少，相應結果的可靠性相對較差。而且由于影響波浪能資源的因素較為復雜，功率矩陣主要考慮了有效波高和能量周期對波浪能發電系統性能的影響，而性能矩陣只是定性判斷了除有效波高和能量周期之外其他因素（如波向和譜型變化等）的影響，當波浪能發電系統的性能對這些因素較為敏感時，如何量化其影響是應該進一步研究的問題。

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Study on the Assessment of Performance of the Wave Energy Conversion Systems

WANG Xiang-nan1,LI Xue-lin1,WANG Jing1,LU Kuan1,YANG Lei1,ZHAO Qiang2,XU Yuan2
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100085,China)

Assessment of performance of the wave energy conversion systems(WECS)is critical for the evaluation of the system and the promotion of the industrialization process.It is imperative for the assessment of performance of the WECS to establish the operational assessment method.The quantitative assessment indices with regard to electric power,efficiency and economy of the WECS were presented.Based on the measured incident wave record and output power record,the calculation of all the assessment indices was discussed in order to provide reference for the practical assessment of performance of WECS.

wave energy conversion systems;assessment of performance;assessment indices

P743.1

A

1003-2029（2012）04-0075-04

2012-08-24

海洋可再生能源專項--波浪能與潮流能獨立電力系統綜合測試技術資助項目(Y1110NY02)

王項南（1965-），男，研究員，主要研究方向為海洋環境監測。Email:notckj@vip.sina.com

book=78,ebook=159