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(yàn)與測試場建設(shè)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(shè)我國潮流能、波浪能海上試驗(yàn)與測試場，是促進(jìn)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(shè)我國潮流能、波浪能海上試驗(yàn)與測試場的緊迫性和必要性，并根據(jù)對國際先進(jìn)國家海上試驗(yàn)場建設(shè)與發(fā)展趨勢的研究，結(jié)合我國實(shí)際，提出了潮流能、波浪能海上試驗(yàn)與測試場建設(shè)應(yīng)考慮的主要問題和建議。

潮流能；波浪能；海上試驗(yàn)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(chǔ)研究階段、裝置研究與開發(fā)階段和產(chǎn)業(yè)化階段?；A(chǔ)研究階段主要是以政府主導(dǎo)為主，資助的重點(diǎn)主要是研究機(jī)構(gòu)，支持的方向是解決關(guān)鍵技術(shù)、建立公共海上試驗(yàn)平臺、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系。裝置研究與開發(fā)階段主要是政府主導(dǎo)、企業(yè)參與，資助的重點(diǎn)主要是企業(yè)，支持的重點(diǎn)方向是提高設(shè)備性能、促進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，示范地點(diǎn)從近岸海域推進(jìn)到開闊海域。產(chǎn)業(yè)化階段主要是以企業(yè)為主導(dǎo)，開展商業(yè)化應(yīng)用，實(shí)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(yàn)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(jì)70年代，海洋可再生能源因其儲量豐富、環(huán)境友好等特點(diǎn)而受到世界各國的普遍重視，步入21世紀(jì)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(yán)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(shè)立了海洋可再生能源專項(xiàng)資金。

根據(jù)IHS新能源研究所的報告顯示，當(dāng)前潮流能、波浪能利用技術(shù)發(fā)展較快，處于實(shí)海況試驗(yàn)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(jī)容量1.2MW，已實(shí)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(jī)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(shè)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(jī)組大小和裝機(jī)容量上差距較大。如：哈爾濱工程大學(xué)曾先后研制了“萬向I”型70kW潮流實(shí)驗(yàn)電站和“萬向II”40kW潮流實(shí)驗(yàn)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(jī)，經(jīng)過1個月的測試運(yùn)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(diǎn)吸收式波能發(fā)電浮標(biāo)的海上工程樣機(jī)的建造工作。

2 建設(shè)我國潮流能、波浪能海上試驗(yàn)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(xiàng)海洋可再生能源開發(fā)利用技術(shù)的成熟應(yīng)用，需要經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和海上現(xiàn)場試驗(yàn)，需要在不斷的試驗(yàn)中逐步完善。海上試驗(yàn)作為海洋可再生能源裝置從工程樣機(jī)走向規(guī)模化應(yīng)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(yīng)性和可靠性、實(shí)現(xiàn)技術(shù)實(shí)用化，具有十分重要的意義。但是，在發(fā)電裝置進(jìn)行海上試驗(yàn)的前期，需要對試驗(yàn)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(jìn)行較長時間的調(diào)查，并開展裝置海底基礎(chǔ)建設(shè)、海底電纜鋪設(shè)等多項(xiàng)海上工程，這將耗費(fèi)大量的人力物力，大大增加發(fā)電裝置海上試驗(yàn)的成本和周期。因此，建設(shè)一個公共的海上試驗(yàn)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(yàn)，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(yàn)與測試場，以此推動海洋能技術(shù)發(fā)展。當(dāng)前，我國潮流能、波浪能開發(fā)利用技術(shù)步入實(shí)海況試驗(yàn)階段，大量的應(yīng)用技術(shù)有待接受海上現(xiàn)場試驗(yàn)的考驗(yàn)。因此，無論從推動技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，還是從成果轉(zhuǎn)化與運(yùn)行的規(guī)范化管理來說，均需得到權(quán)威的第三方試驗(yàn)、測試與評價，迫切需要建設(shè)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(yàn)與測試平臺。

3 國內(nèi)外潮流能、波浪能海上試驗(yàn)與測試場建設(shè)進(jìn)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(yàn)與測試場，為世界各國、各相關(guān)研發(fā)部門提供試驗(yàn)、測試、評估、咨詢等各項(xiàng)技術(shù)服務(wù)，從而指導(dǎo)并促進(jìn)海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅歐洲就建有波浪能、潮流能海上試驗(yàn)場11個，其中波浪能海上試驗(yàn)場8個、潮流能海上試驗(yàn)場3個［8］。

目前世界上最先進(jìn)、最成熟的當(dāng)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(yàn)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(rèn)證中心為核心發(fā)展目標(biāo)，為海洋可再生能源的研發(fā)機(jī)構(gòu)提供一系列的測試與認(rèn)證服務(wù)，包括提供與國家電網(wǎng)連接的主要測試設(shè)施，遠(yuǎn)程實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，檢測與性能評價流程的校驗(yàn)以及在設(shè)備檢驗(yàn)批準(zhǔn)過程中所需的全部指導(dǎo)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(yàn)場以及位于北部Eday島FallofWarness水道的潮流能海上試驗(yàn)場。試驗(yàn)場自1999年立項(xiàng)，到2003初步建成，僅政府投資的經(jīng)費(fèi)就達(dá)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(jìn)一步完善配套設(shè)施。自2003年建成后運(yùn)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(yàn)場進(jìn)行了實(shí)海況并網(wǎng)試驗(yàn)［9］。

此外，愛爾蘭海洋研究院 （MI）和愛爾蘭國立科克大學(xué)水動力和海事研究中心 （HMRC）聯(lián)合在戈?duì)栱f灣建立了大比例樣機(jī)的測試基地，主要針對波浪能裝置進(jìn)行測試，最大可支持到1／3模型比例的實(shí)海況試驗(yàn)。丹麥于1997年啟動了國家波浪能源計(jì)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(jìn)提供室內(nèi)和現(xiàn)場測試環(huán)境。美國俄勒岡州立大學(xué)自1998年起著手進(jìn)行波浪能的開發(fā)計(jì)劃，并結(jié)合波浪能裝置的設(shè)計(jì)，在俄勒岡以外的海域建立用于波浪能測試的試驗(yàn)站。除OSU設(shè)計(jì)開發(fā)的OSU波浪能浮標(biāo)外，加拿大Finavera公司開發(fā)的AquaBuoy波浪能浮標(biāo)以及TriAxys公司開發(fā)的浮標(biāo)測波系統(tǒng)也先后加入到試驗(yàn)站的測試中。

我國在2010年海洋可再生能源專項(xiàng)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(xué)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(yàn)與測試場的選址論證和初步工程設(shè)計(jì)工作［10］。

4 潮流能、波浪能海上試驗(yàn)與測試場建設(shè)主要問題

為促進(jìn)我國潮流能、波浪能海上試驗(yàn)與測試場建設(shè)的有效開展，根據(jù)我們對國際先進(jìn)的海上試驗(yàn)場研究分析，我國潮流能、波浪能海上試驗(yàn)與測試場建設(shè)需重點(diǎn)考慮海洋環(huán)境、測試設(shè)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(yàn)與測試條件

潮流能、波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行海上試驗(yàn)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(yùn)行的最低能量密度需求，這也決定著試驗(yàn)場在不同空間、不同能種上的合理布局。

海上試驗(yàn)與測試場的物理?xiàng)l件決定著試驗(yàn)場地的選擇，首先應(yīng)進(jìn)行備選試驗(yàn)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(yùn)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(yīng)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(yàn)與測試要求，同時也應(yīng)考慮潮流分層現(xiàn)象［11－12］。

陸上與海上施工條件是試驗(yàn)場建設(shè)應(yīng)考慮的另一重要條件。陸上與海上工程涉及交通、道路、設(shè)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(yīng)予以考慮。

4.2 潮流能、波浪能海上測試設(shè)備

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

測試設(shè)備主要包括環(huán)境測量設(shè)備、功率測量裝置和狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備。環(huán)境測量設(shè)備主要用于測量發(fā)電裝置試驗(yàn)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(zhǔn)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(shí)時功率值，該裝置應(yīng)盡可能靠近與電力網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)，以保證測定的有效凈輸出功率提供到電力網(wǎng)絡(luò)。狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備主要用于連續(xù)不斷或經(jīng)常性地測量發(fā)電裝置運(yùn)行參數(shù)，用以判斷發(fā)電裝置的利用率。

4.3 試驗(yàn)與測試評價方法、評定標(biāo)準(zhǔn)

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

測試與評價內(nèi)容包括實(shí)海況轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境適應(yīng)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(shí)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(shí)際海況理論計(jì)算方法，然而每一類裝置中的發(fā)電原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和發(fā)電特性均具有多樣性，因此理論能量輸入功率的計(jì)算方法也各不相同。環(huán)境適應(yīng)性與可靠性是評定發(fā)電裝置設(shè)計(jì)成功與否的重要標(biāo)準(zhǔn)，是促進(jìn)技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的有力保障，評價方法應(yīng)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化的重要標(biāo)志。測試的基礎(chǔ)是發(fā)電裝置單機(jī)與電站整體的電氣數(shù)學(xué)模型，同時，還要針對發(fā)電裝置供電間歇性強(qiáng)、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(biāo)準(zhǔn)。

5 我國潮流能、波浪能建設(shè)海上試驗(yàn)與測試場的幾點(diǎn)建議

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

5.1 試驗(yàn)場建設(shè)需國家專項(xiàng)支持、統(tǒng)一規(guī)劃

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

5.2 試驗(yàn)場建設(shè)需立足內(nèi)需、與國際接軌

我國潮流能、波浪能海上試驗(yàn)與測試場的建設(shè)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(yàn)需求的同時，應(yīng)積極開展國際合作，與國際海上試驗(yàn)、測試、評價的標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)。

5.3 需建立我國測試認(rèn)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(jìn)步帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)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(xué)有效的潮流能、波浪能發(fā)電裝置測試認(rèn)證體系是促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)規(guī)范化發(fā)展的有力保障。

海上試驗(yàn)、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(yàn)與測試場、提供綜合技術(shù)服務(wù)體系已刻不容緩。但這是一項(xiàng)高風(fēng)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(yàn)場建設(shè)［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＿M(jìn)arine＿Energy＿Centre.

［10］ 國家海洋技術(shù)中心.波浪能、潮流能海上試驗(yàn)與測試場建設(shè)論證及工程設(shè)計(jì)實(shí)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(yàn)與測試場建設(shè)論證及工程設(shè)計(jì)（GHME2010ZC10）.