韓林生，王鑫，路寬(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

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美國NNMREC對我國海洋能試驗場建設(shè)的啟示*

韓林生，王鑫，路寬
(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

美國西北國家海洋可再生能源中心(Northwest National Marine Renewable Energy Center，NNMREC)是美國國家能源局成立的從事波浪能與潮流能開發(fā)的科研機構(gòu)，目前它在波浪能和潮流能開發(fā)利用技術(shù)方面開展了許多卓有成效的工作。文章主要介紹了NNMREC在波浪能和潮流能領(lǐng)域的研究成果和目前開展的主要工作，并重點介紹了其太平洋海洋能源中心、移動測試平臺及海洋能裝置環(huán)境監(jiān)測等方面的技術(shù)現(xiàn)狀，旨在對我國的波浪能和潮流能開發(fā)利用技術(shù)尤其是海洋能試驗場的建設(shè)提供積極的參考和借鑒。

波浪能；潮流能；NNMREC；海洋能試驗場

21世紀(jì)以來，努力發(fā)展可再生能源已成為國際社會的共識，我國同樣也加大了對可再生能源開發(fā)方面的支持。近年來，在國家政策和資金的幫助下，我國的海洋可再生能源開發(fā)利用工作取得了很大的進步，尤其是波浪能和潮流能開發(fā)利用技術(shù)方面，各種基于波浪能和潮流能的海洋能發(fā)電裝置層出不窮[1-2]。但隨著各類海洋能發(fā)電裝置陸續(xù)研發(fā)成功，如何規(guī)范、有效地對其發(fā)電能力和工作性能進行海上測試與評價成為新的難題。我國《海洋可再生能源發(fā)展綱要(2013-2016)》明確提出“到2016年，分別建成具有公共試驗測試泊位的波浪能、潮流能示范電站以及國家級海上試驗場，為我國海洋能的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)和支撐保障”[3]。因此，建設(shè)針對海洋能發(fā)電裝置海上試驗與測試的海上試驗場迫在眉睫。

1 NNMREC概述

美國西北國家海洋可再生能源中心成立于2008年，是由美國國家能源局支持成立的3個國家海洋可再生能源中心之一，主要致力于波浪能與潮流能的開發(fā)利用技術(shù)。此外，還有夏威夷國家海洋可再生能源中心和東南國家海洋可再生能源中心，分別負(fù)責(zé)溫差能、洋流能技術(shù)的研究與推廣。

NNMREC主要由俄勒岡州立大學(xué)與華盛頓大學(xué)合作組成，旨在推動波浪能、潮流能技術(shù)的研究與發(fā)展，促進其產(chǎn)業(yè)化。其中，俄勒岡州立大學(xué)主要從事波浪能技術(shù)方面的工作，華盛頓大學(xué)則主要負(fù)責(zé)潮流能方向。二者與美國國家可再生能源實驗室一起合作，通過相關(guān)研究工作的開展，彌補目前在波浪能、潮流能開發(fā)和利用技術(shù)領(lǐng)域的空白，并研究波浪能、潮流能資源的開發(fā)對環(huán)境和人類活動的影響，使民眾及政府了解波浪能、潮流能技術(shù)帶來的機遇與挑戰(zhàn)。NNMREC希望最終打造一個面向美國和全世界的波浪能、潮流能技術(shù)綜合測試與科研中心。

2 波浪能領(lǐng)域

NNMREC在俄勒岡州立大學(xué)主要進行波浪能技術(shù)的研究與推廣，其任務(wù)和目標(biāo)是：支持有發(fā)展?jié)摿Φ牟ɡ四苎芯考夹g(shù)進行實海況實驗；研究波浪能產(chǎn)業(yè)可能帶來的對社會經(jīng)濟、環(huán)境、生態(tài)的影響；通過科研、教育等培養(yǎng)海洋能領(lǐng)域的人才，促進海洋能技術(shù)的進步；支持發(fā)展新一代的波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)。

2.1 NNMREC在波浪能領(lǐng)域開展的研究工作

波浪能發(fā)電技術(shù)商業(yè)化主要面臨兩個關(guān)鍵問題：一是裝置是否具有良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，能在大多數(shù)海區(qū)實現(xiàn)長期布放；二是發(fā)電效率，即其發(fā)電量與成本造價能否滿足商業(yè)化運營的需求。這些問題與發(fā)電能力、發(fā)電原理、錨泊系統(tǒng)設(shè)計、裝置的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性、可預(yù)測性(波浪能預(yù)報)以及電能蓄能并網(wǎng)等問題息息相關(guān)。

(1)評估海洋能發(fā)電裝置對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響。主要是研究發(fā)電裝置本身及其產(chǎn)生的聲學(xué)、電磁學(xué)效應(yīng)對海岸帶環(huán)境、海底沉積物輸運、海洋哺乳動物、魚類等帶來的影響，其中的部分研究可以通過數(shù)值模擬進行前期探索，之后通過水槽試驗和實海況試驗進一步驗證。

(2)優(yōu)化發(fā)電裝置和陣列在海洋中的布放。通過海洋調(diào)查觀測和數(shù)值模式研究可以得到局地波浪能的分布規(guī)律，便于波浪能裝置及其陣列的布放，進一步研究發(fā)電裝置和陣列對海洋波浪場的影響、波浪對發(fā)電裝置及其電能捕獲能力的影響，并研究裝置與環(huán)境二者之間的相互影響與反饋機制。

(3)提高電能預(yù)報和資源評估的能力。通過提高對波浪的預(yù)報，實現(xiàn)對波浪能資源的預(yù)報和評估，幫助獲取通過發(fā)電裝置或陣列的波形，從而預(yù)測裝置或陣列的發(fā)電量，為下一步的電能輸送和并網(wǎng)提供安全預(yù)警和保障。

(4)提升發(fā)電裝置的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。通過研發(fā)抗生物污損的材料、合理設(shè)計錨定系統(tǒng)、優(yōu)化機械連接構(gòu)件、實現(xiàn)裝置反向運行等提升裝置的可靠性和生存能力。

(5)加強與公眾的合作與溝通，積極組織參與公共演講、展覽，并支持海洋能發(fā)電與公共政策、服務(wù)方面的相關(guān)研究，從而獲得公眾和政府的支持及社會的經(jīng)濟投入。

2.2 波浪能試驗與測試場

NNMREC在俄勒岡州Newport附近的太平洋海岸建立了太平洋海洋能源中心(Pacific Marine Energy Center，PMEC)，用于波浪能裝置的試驗與測試，并通過支持海洋能技術(shù)研發(fā)機構(gòu)對其設(shè)備進行實海況試驗來推進海洋可再生能源技術(shù)的進步。

PMEC測試場址選在Newport海域的優(yōu)勢有：波浪資源非常豐富；有便捷的電力傳輸設(shè)施用于波浪能發(fā)電并網(wǎng)；當(dāng)?shù)卣种С郑⒉ɡ四芰腥肓水?dāng)?shù)睾Ｓ蚴褂靡?guī)劃和政府的10年能源規(guī)劃；擁有發(fā)達的制造業(yè)，可以滿足波浪能產(chǎn)業(yè)的各種需求；有一個非盈利性公私合營的組織Oregon Wave Energy Trust，引導(dǎo)并支持波浪能技術(shù)的研發(fā)與進步；是NNMREC的所在地，是全美波浪能研究與測試中心。

PMEC目前主要由其北部和南部能源測試場組成：

(1)北部能源測試場(North Energy Test Site，NETS)。2012年，NNMREC開放了其北部能源測試場，它位于俄勒岡州Yaquina Head外海2.5 n mile 的海上，在Newport的北部，是一個單邊長1 n mile的矩形區(qū)域，該區(qū)域水深45～55 m，海底為緩坡沙底。夏季有效波高1～2.5 m，周期6～9 s，冬季有效波高2～5 m，周期8～12 s，歷史最大有效波高7～14 m。該測試場并未實現(xiàn)并網(wǎng)，而是通過一個海上移動測試平臺Ocean Sentinel對波浪能設(shè)備進行相關(guān)試驗和測試，并可滿足最大功率100 kW的波浪能設(shè)備的測試需要，測試時間為每年的5—10月，在其他時間也可滿足用戶對設(shè)備其他諸如環(huán)境適應(yīng)性、生物污損、錨泊系統(tǒng)、環(huán)境影響等方面的測試。

2012年，NETS通過移動測試平臺Ocean Sentinel首次對20 kW的波浪能設(shè)備WET-NZ進行了6周的測試，獲取了其發(fā)電量、裝置工作性能及環(huán)境影響等方面的數(shù)據(jù)和資料。

(2)南部能源測試場(North Energy Test Site，SETS)。NNMREC目前正在Newport的南部海域建立其南部能源測試場，其離岸約5 n mile，這將是美國第一個可以進行原型樣機試驗并實現(xiàn)并網(wǎng)的波浪能試驗與測試場，SETS預(yù)計在2016年建成。SETS規(guī)劃了4個波浪能測試泊位，用于對波浪能發(fā)電裝置或由其組成的小型陣列進行測試，測試泊位通過海底電纜與岸基設(shè)施相連，進而并入公共電網(wǎng)。岸基設(shè)施用于收集發(fā)電設(shè)備的測試數(shù)據(jù)和波浪環(huán)境數(shù)據(jù)，提供辦公環(huán)境和實驗操作空間，同時有一個面向大眾的小型公共展區(qū)。

2.3 移動測試平臺Ocean Sentinel

Ocean Sentinel是一個基于船型浮標(biāo)的6 m直徑的移動海上測試平臺，可以對非并網(wǎng)模式的波浪能裝置進行測試。它與NETS的測試站位相距100 m左右，通過一根電力和通信復(fù)合電纜與波浪能裝置相連，并通過無線通信方式與海洋環(huán)境觀測設(shè)備、岸基控制中心相溝通[4]。其具體功能包括：① 電能分析與電力消耗，測量發(fā)電裝置的電流、電壓等電氣參數(shù)，并通過負(fù)載將多余的電力消耗掉；② 海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取，包括波浪、潮流和風(fēng)等的實時觀測數(shù)據(jù)；③ 視頻監(jiān)控及錨泊力、系留力和其他測量參數(shù)。

此外，Ocean Sentinel還可以通過太陽能電池板供電，其目前可測試最高功率100 kW的波浪能設(shè)備，并可進行進一步拓展。

考慮到海況因素，Ocean Sentinel通常在每年的5—10月之間進行波浪能發(fā)電裝置測試任務(wù)，在此期間通過三點錨泊系留方式保證其位置的相對固定，以確保與測試裝置的電纜連接安全。在其他月份則主要進行海洋環(huán)境監(jiān)測任務(wù)，并采用單點錨泊系留的方式以適應(yīng)惡劣的海況。

3 潮流能領(lǐng)域

NNMREC主要由華盛頓大學(xué)負(fù)責(zé)推動潮流能領(lǐng)域的科學(xué)研究與發(fā)展，其任務(wù)和目標(biāo)包括：通過支持海洋能領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，解決海洋能工程領(lǐng)域的技術(shù)問題并研究對生態(tài)環(huán)境和人類活動的影響等，從而彌補海洋能領(lǐng)域的相關(guān)空白；為美國培養(yǎng)海洋能領(lǐng)域下一代的科研工作者、技術(shù)工程師和教育工作者；通過制定海洋能裝置評價與準(zhǔn)入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)促進海洋能裝置的產(chǎn)業(yè)化與商品化；獲得管理者與政府政策的理解與支持，吸引工業(yè)領(lǐng)域、科研領(lǐng)域的關(guān)注和投入。

3.1 NNMREC在潮流能領(lǐng)域開展的研究工作

研發(fā)和測試對試驗區(qū)環(huán)境、潮流能裝置進行監(jiān)測與評估的經(jīng)濟型設(shè)備儀器和觀測手段。用于測量潮流能發(fā)電裝置在平流、湍流狀態(tài)下的發(fā)電性能；測量水輪機及其周邊的流場與尾跡情況；測量裝置和環(huán)境的聲學(xué)環(huán)境；監(jiān)控周邊魚類和海洋哺乳動物的情況等。實現(xiàn)對試驗區(qū)更全面、更持久的監(jiān)測，從而可以更方便地對潮流能測試場海域的物理環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和潮流能裝置的性能進行評估。

發(fā)電裝置及陣列的優(yōu)化設(shè)計與布放研究。研究確定合適的裝置布局方向和陣列布放密度，保證既能有效發(fā)揮裝置性能和充分利用潮流能資源，又不會對周邊海洋環(huán)境產(chǎn)生不良影響至關(guān)重要。通過該研究的最終目標(biāo)是希望將來能制定發(fā)電裝置合理布局與布放密度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

潮流能裝置對環(huán)境的影響包括：① 潮流能裝置布放后其本身及附屬結(jié)構(gòu)對海洋環(huán)境的影響，如對裝置周邊流場、底部沉積物輸運等產(chǎn)生影響；② 潮流能裝置的動力學(xué)影響，包括漿葉運動、夾卷、沖擊、尾流等，會對小范圍海域流場、泥沙輸運、潮間帶變遷、底棲生物和魚群物種帶來影響；③ 化學(xué)影響，包括裝置的潤滑劑、顏料、各類涂層等產(chǎn)生的化學(xué)污染對生物的影響；④ 聲學(xué)影響，主要是裝置運行噪聲對海洋哺乳動物和部分魚類產(chǎn)生的影響；⑤ 電磁影響，發(fā)電機和電纜等引起的電磁場改變對海水生物的影響。

通過新技術(shù)和新材料的應(yīng)用提高發(fā)電裝置的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。華盛頓大學(xué)對可用于發(fā)電機轉(zhuǎn)子、驅(qū)動裝置和其他配件的各種材料(包括玻璃鋼、碳纖維鋼、不銹鋼、鋁、結(jié)構(gòu)鋼、普通鋼等)以及各種防生物附著、防腐蝕的涂料進行了實海況的海底實驗，對其生物污染和腐蝕情況進行了研究分析。結(jié)果表明，表面更光滑的材料生物附著情況更輕，有防生物涂層的材料抗生物污染效果顯著，不銹鋼、碳纖維鋼材具有良好的防腐蝕性能。此外，還對不同材料的抗氧化性能進行了研究。

3.2 海洋環(huán)境監(jiān)測與測試設(shè)備

海洋能發(fā)電裝置的測試評估及其環(huán)境影響評價對海洋環(huán)境要素的監(jiān)測提出了更高的要求，如需要根據(jù)試驗測試時間調(diào)整數(shù)據(jù)采樣間隔、某些海洋能發(fā)電檢測需要長時間連續(xù)觀測等，針對這些特殊要求，需要有針對性地設(shè)計新的海洋儀器監(jiān)測平臺或手段。

華盛頓大學(xué)與OpenHydro等單位合作研制了環(huán)境監(jiān)測平臺(Adaptable Monitoring Package，AMP)，該平臺與海洋能發(fā)電設(shè)備相連，并通過電纜與岸上相通，實現(xiàn)了對發(fā)電裝置及海洋環(huán)境的實時監(jiān)測，并設(shè)計利用ROV實現(xiàn)其回收和重新布放；還與其他合作單位一起，開發(fā)研制了 “海蜘蛛”儀器三腳架，可以搭載三維立體視頻采集系統(tǒng)、聲學(xué)相機、ADCP、CTDO、沉積物位移監(jiān)測設(shè)備、聲學(xué)釋放器等，主要用于觀測潮流能裝置布放海域的物理和生物海洋環(huán)境特征。

對于進行獨立長期觀測的設(shè)備來說，電能不足往往是制約觀測時間和數(shù)據(jù)采集頻率的重要因素之一，華盛頓大學(xué)的NNMREC研發(fā)了一套微縮的垂直軸潮流能發(fā)電裝置，其平面面積小于1 m2，通過一個蓄電池組可持續(xù)提供10～20 W的電能。該裝置可以安裝到“海蜘蛛”三腳架上實現(xiàn)對其供電，從而可以使其提高采集頻率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，并實現(xiàn)更長時間的環(huán)境監(jiān)測(圖1)。

圖1 “海蜘蛛”加裝微型潮流能發(fā)電裝置設(shè)計

4 NNMREC的實驗室與科研資源

NNMREC還有諸多先進的實驗室合作一起從事波浪能、潮流能裝置的研發(fā)、試驗和測試，支持波浪能、潮流能裝置關(guān)鍵技術(shù)的研究和等比例尺模型試驗等[5]。

(1)Wallace Energy Systems & Renewables Facility，是位于俄勒岡州立大學(xué)的電力能源系統(tǒng)和可再生能源研究測試中心，已有11種波浪能發(fā)電設(shè)備在此進行過試驗和測試。

(2)The O. H. Hinsdale Wave Research Laboratory，是一個達到世界水平的海岸工程和近岸科學(xué)領(lǐng)域的實驗室，有一個104 m長的長波水槽和多功能波浪水池，曾進行過1∶15和1∶33比例的波浪能發(fā)電裝置試驗。

(3)Hatfield Marine Science Center，主要用于海洋與河口領(lǐng)域的科學(xué)研究和教育工作。

(4)華盛頓大學(xué)的Applied Physics Laboratory，是專門從事近岸與小尺度海洋學(xué)以及淺水環(huán)境研究的實驗室。

5 對我國波浪能、潮流能開發(fā)的啟示

NNMREC能源中心的建設(shè)雖然尚未完成，但其目前開展的卓有成效的工作對我國波浪能、潮流能的開發(fā)具有重要的借鑒意義：

(1)波浪能、潮流能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進步需要有一系列公共服務(wù)支撐體系的建立與支持。海洋能裝置的研發(fā)過程為：理論研究與數(shù)模設(shè)計論證-水槽試驗?zāi)Ｐ万炞C-小比例尺模型海上試驗-原型機海上試驗等，建立一套與這一過程相配合的公共服務(wù)體系，如專業(yè)的海洋能水槽實驗室、海洋能裝置海上試驗場等，可以有效地縮短研發(fā)周期、加速海洋能裝置的實海況試驗與定型，從而推進波浪能、潮流能產(chǎn)業(yè)的整體進步。

(2)波浪能、潮流能發(fā)電裝置的試驗、應(yīng)用與推廣，必須首先評估其對環(huán)境的影響。海洋能發(fā)電裝置本身及其工作特性都會對周邊海岸帶環(huán)境、海洋生物群落、物質(zhì)輸運等產(chǎn)生一定的影響，研究這些影響的原理、機制并控制其影響范圍，防止對周圍環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。

(3)研發(fā)針對波浪能潮流能發(fā)電裝置試驗與測試的檢測設(shè)備、環(huán)境檢測設(shè)備等，將有助于發(fā)電裝置試驗與測試的方便開展。如移動測試平臺Ocean Sentinel，在不能并網(wǎng)的情況下滿足了波浪能發(fā)電裝置的部分試驗與測試需求。

(4)充分依托高校、研究所相關(guān)研究機構(gòu)進行研發(fā)和試驗工作，利用其實驗室技術(shù)設(shè)施、技術(shù)人員和科研力量完善研發(fā)過程。

(5)加強公共宣傳，積極參與各項社會活動，獲取民眾的理解與支持以及政府、社會的投入。

[1] 羅續(xù)業(yè)，夏登文. 海洋可再生能源開發(fā)利用戰(zhàn)略研究報告[M]. 北京：海洋出版社，2014．

[2] 國家海洋技術(shù)中心. 中國海洋能技術(shù)進展2014[M]. 北京：海洋出版社，2014．

[3] 國家海洋局.海洋可再生能源發(fā)展綱要(2013-2016)[Z].2013．

[4] AMON E，BREKKEN TKA，VON J A. A power analysis and data acquisition system for ocean wave energy device testing[J]. Renew Energy， 2011， 36：1922-1930．

[5] BREKKEN TKA，RHINEFRANK K，VON J A，et al. Scaled Development of a Novel Wave Energy Converter Including Numerical Analysis and High-Resolution Tank Testing[C]. Proceedings of the IEEE， 2013， 101(4): 866．

海洋可再生能源專項資金項目(GHME2012ZC02，GHME2013ZC01).

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A

1005-9857(2015)07-0023-04