潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設主要問題分析*

李 彥，羅續業，路 寬

（國家海洋技術中心 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，羅續業，路 寬

（國家海洋技術中心 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業發展的重要推動力。文章通過對國內外潮流能、波浪能開發利用現狀分析，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，并根據對國際先進國家海上試驗場建設與發展趨勢的研究，結合我國實際，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利用的發展可劃分為近期、中期、長期3個階段［1］，即：基礎研究階段、裝置研究與開發階段和產業化階段。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，支持的方向是解決關鍵技術、建立公共海上試驗平臺、建設標準體系。裝置研究與開發階段主要是政府主導、企業參與，資助的重點主要是企業，支持的重點方向是提高設備性能、促進技術應用，示范地點從近岸海域推進到開闊海域。產業化階段主要是以企業為主導，開展商業化應用，實現海洋能的產業化開發。我國海洋能 （特別是潮流能、波浪能）開發目前處于裝置研發階段的初期，海上試驗是面臨的一大重要共性問題。

1 國內外潮流能、波浪能開發利用技術發展現狀

20世紀70年代，海洋可再生能源因其儲量豐富、環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生后對海洋可再生能源給予了高度重視，并在海洋熱能發電系統和換熱器技術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IHS新能源研究所的報告顯示，當前潮流能、波浪能利用技術發展較快，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潮流發電裝置，裝機容量1.2MW，已實現了向英國國家電網輸電［4］；英國PWP公司研制的Pelamis波浪發電裝置，分別安裝于蘇格蘭近海（總容量0.75MW）和葡萄牙近海 （總容量2.25MW）［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、波浪能利用技術取得了一定成果，與國外在潮流能、波浪能發電技術上差距不大，但在發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安裝了一臺10kW小比例潮流發電裝置海上工程樣機，經過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換裝置［7］，目前完成了新的10kW鴨式波浪能發電裝置和10kW點吸收式波能發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利用是一把 “雙刃劍”，能量密度越高，發電裝置獲得的能量越多，但同時對發電裝置的破壞也越大。因此，一項海洋可再生能源開發利用技術的成熟應用，需要經過大量的實驗室模擬試驗和海上現場試驗，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模化應用的關鍵環節，對于提高裝置轉換效率、環境適應性和可靠性、實現技術實用化，具有十分重要的意義。但是，在發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、水文氣象環境以及海底底質等進行較長時間的調查，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、波浪能開發利用技術發展的成功經驗，除了政府政策激勵、大量資金投入外，一個關鍵因素就是建立海上試驗與測試場，以此推動海洋能技術發展。當前，我國潮流能、波浪能開發利用技術步入實海況試驗階段，大量的應用技術有待接受海上現場試驗的考驗。因此，無論從推動技術應用的產業化發展，還是從成果轉化與運行的規范化管理來說，均需得到權威的第三方試驗、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利用技術試驗與測試平臺。

3 國內外潮流能、波浪能海上試驗與測試場建設進展現狀

海洋可再生能源開發利用處于領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、區域性的公益性海上試驗與測試場，為世界各國、各相關研發部門提供試驗、測試、評估、咨詢等各項技術服務，從而指導并促進海洋可再生能源產業的發展。據不完全統計，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展可再生能源的政策指引下，EMEC以成為國際知名的權威性海洋能轉換裝置測試及認證中心為核心發展目標，為海洋可再生能源的研發機構提供一系列的測試與認證服務，包括提供與國家電網連接的主要測試設施，遠程實時數據監控與分析，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和現場測試環境。美國俄勒岡州立大學自1998年起著手進行波浪能的開發計劃，并結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設計開發的OSU波浪能浮標外，加拿大Finavera公司開發的AquaBuoy波浪能浮標以及TriAxys公司開發的浮標測波系統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，由國家海洋技術中心牽頭，聯合中國海洋大學等國內高校、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境、測試設備及方法研究3個技術問題。

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政策規定的前提下，物理環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查與評估，確保潮流、波浪基本要素滿足發電裝置正常啟動與運行的環境要求，同時發電裝置能經受住場地地形、潮流、波浪等環境條件的不利影響，例如，海流具有隨季節遷移的特性，因此，場地選擇時應該考慮海域劃定范圍內海流在重新定位時潛在能力足以滿足長期發電試驗與測試要求，同時也應考慮潮流分層現象［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、海上平臺、海底電纜等多方內容［13］，因此，施工的難易程度、成本代價以及對周圍生態和人文社會環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境測量設備、功率測量裝置和狀態監測設備。環境測量設備主要用于測量發電裝置試驗泊位的海流 （或波浪）、溫度、鹽度等環境參數，為能量轉換效率的測試評價提供準確的環境測量數據［11－12］。功率測量裝置主要用于測量發電裝置產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絡連接點，以保證測定的有效凈輸出功率提供到電力網絡。狀態監測設備主要用于連續不斷或經常性地測量發電裝置運行參數，用以判斷發電裝置的利用率。

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業準入制度的建立提供有利的技術支撐與服務。

測試與評價內容包括實海況轉換效率、環境適應性、可靠性及并網發電等。對潮流能、波浪能2類能種裝置的實海況轉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電原理、結構設計和發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。環境適應性與可靠性是評定發電裝置設計成功與否的重要標準，是促進技術發展與產業化進程的有力保障，評價方法應依種類的不同而具有針對性。并網發電是發電裝置實現商業化的重要標志。測試的基礎是發電裝置單機與電站整體的電氣數學模型，同時，還要針對發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工程。它應是一個公益性的海洋可再生能源開發利用技術服務體系，提供最具權威性的試驗、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、統一規劃

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

5.2 試驗場建設需立足內需、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、滿足我國國內廣大裝置研發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、評價的標準與規程相符，為我國海洋能裝置的國際化發展奠定基礎。

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的進步帶來了前所未有的發展機遇，同時，也出現了產業化中試環節代價大而極度缺乏的問題，因此，建立科學有效的潮流能、波浪能發電裝置測試認證體系是促進其產業規范化發展的有力保障。

海上試驗、測試與評定是海洋可再生能源產業發展的關鍵一環。建立開放的國家海上試驗與測試場、提供綜合技術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，需要國家和社會各界的共同努力。

［1］ 羅續業.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展年會暨論壇.2012.

［2］ 中國市場調查網.2012－2016年中國海洋能行業市場深度剖析及投資戰略咨詢報告［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，FelixDanos.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）.