海洋波浪潮流能实验场发展现状及建议

海洋能包括波浪能、潮流能、潮汐能、温差能、盐差能等, 是一种重要的可再生清洁能源[1]。海洋可再生能源较传统化石能源, 具有可再生性、清洁性等特点, 发展潜力巨大[2]。我国海洋能资源分布不均匀, 浙江、广东和福建等东南沿海地区具备较成熟的海洋能开发条件。针对东南沿海经济发达地区能耗量大、常规能源缺乏的问题, 选择开发海洋能资源可以有效缓解能耗问题[3]。

建设海洋能实验场是开发海洋能资源的关键, 能够解决海洋能开发利用装置测试成本高、海试困难等问题, 为开发海洋资源提供良好的实验平台。同时还能促进海洋能开发行业的快速发展。从2009年到2019年10年间, 国际上波浪能和潮流能发电累计已达到45 GW∙ h, 以英国为首的海洋能技术强国已经开始为其他国家的海洋能开发装置提供测试服务[4]。据不完全统计, 全世界目前建成的海洋能实验场已经超过20个[5]。

因此, 建设公共海洋能实验场成为推动我国海洋能行业快速发展的必然选择。

随着国际上对于海洋能源开发利用的逐渐重视, 许多发达国家开始兴建不同类型的海洋能实验场来满足海试需求。

国外海域波浪能实验场具备能量密度大、波浪品质优异和交通运输方便等理想条件, 吸引了众多海洋能源开发公司前来开发、测试自身装置。国外投入营运的波浪能实验场主要有丹麦的Nissum Bredning实验场、英国EMEC波浪能实验场、wave-hub波浪能实验场、法国的SEM-REV波浪能试验场等。

2003年丹麦建成的Nissum Bredning波浪能实验场是已知建设最早的波浪能实验场, 接受了第一个波浪能发电装置“ Wave Dragon” 的测试, 于2005年结束该测试。测试期间, 第一代“ Wave Dragon” 的发电可用性达71% ~ 87%, 在该波浪能场年平均发电量达12 MW∙ h[6]。其能量密度为2.0 ~ 4.0 kW/m, 实验场面积较小, 适合小尺寸样机试验。该波浪能场的实验确认了波浪能发电技术的可持续性和发展潜力。

2004年英国建成的欧洲海洋能源中心（European Marine Energy Centre, EMEC）是位于Billia Croo水道的波浪能实验场, 该试验场是世界上唯一提供波浪潮流测试装置质量评估的测试中心。如图1所示, 该波浪能场一共有5个泊位, 每个泊位的距离是0.5 km, 水深达70 m。1号位为测试泊位, 安装了系泊设备、电缆接口和发电设备等; 2号位为岸上变电站, 主要测量从1号位传输来的电力数据, 并将数据传输给数据中心; 3号、4号位分别位于实验场的最南端和最北端; 5号位为监测站, 装备无间断拍照器。该实验场的优势还在于接受大西洋优质的波浪资源, 平均浪高2 ~ 3 m, 峰值达19 m, 场能量密度超过20 kW/m; 同时靠近斯特罗姆内斯和利内斯两个大型港口, 为海洋装置测试提供了便利的海上运输条件; 能为厂家提供7天24小时实时监测, 为开发人员提供更加准确的数据。目前共开展了超过100项波浪能测试项目, 累积产生的经济效益超过2.5亿英镑。

2010年英国建成的Wave Hub工程位于康沃尔郡离岸16 km处, 是英国政府为推动本国海洋能源发展的又一重大举措。如图2所示, Wave Hub是世界上最大和最先进的海洋可再生能源实验场, 具有欧洲最佳的波浪能资源, 场区面积约为8 km2, 水深50 ~ 62 m, 配备有多个波浪能发电阵列测试泊位, 该工程通过传输系统将海上波浪能发电系统（offshore wave power generation system）与英国电网连接起来, 设计有单根芯横截面积300 mm2 、长为 25 km共6芯海底电缆, 可实现11 kV/33 kV两种电力传输方式, 运行33 kV时电缆容量从16 MW变成50 MW, 还需接通额外电缆来连接部署在阵列中的能量转换装置, 该电缆电气参数为R = 0.074 5 Ω /km、L= 0.341 55 mH/km、C = 0.208 μ F/km。该波浪场阵列预发电能力可达48 MW, 同时提供对波浪和气候特性的全方位24 h监测服务[9]。2018年4月30日, 该实验场同意与英国威尔士海洋能源公司开展新的合作。

2009年法国建成的SEM-REV波浪能实验场位于距离南斯市 100 km的卢瓦尔河（Pays de la Loire）地区[10]。该实验场水深30m, 在近海1 km2测试区配备了波浪能浮标、电流剖面矩阵和定向波分析数据库, 记录的海洋波况数据被实时传送到监测运行的海岸数据库中, 应用数值方法从原始方向波谱中提取组成它们的重要系统。对数据浮标提供的原始波谱和数值校正的波谱进行比较, 可以获得更高精度的能量分布。通过一根3芯20 kV/2.5 MVA海底电缆连接到变电站, 在陆地上的变电站通过电缆连接到国家电力运输网。该波浪能场是法国第一个连接电网的多技术海上测试站点, 可以同时开发、测试波浪能和风能。

2012年美国西北国家海洋可再生能源中心（Northwest National Marine Renewable Energy Center, NNMREC）在俄勒冈州新港建立了太平洋海洋能中心（Pacific Marine Energy Center, PMEC）测试场, 用于波浪能装置的测试与实验[11]。其波浪资源丰富, 能量密度达20 kW/m, 该测试场由南北两个测试场组成。北部测试场位于亚基纳角（Yaquina Head）外海25 n mile处, 水深在45 ~ 55 m, 夏季有效波高为1 ~ 2.5 m, 周期为6 ~ 9 s, 历史最大有效波高为7 ~ 14 m。暂时无法并网, 通过海上移动测试平台Ocean Sentinel实现对波浪能设备的测试和检测, 最大可满足100 kW的波浪能设备的测试需求。南部测试场2016年建成, 离岸5 n mile, 这是美国第一个可以进行原型样机实验并实现并网的波浪能试验场, 规划有4个波浪测试泊位, 可用于对小型波浪能阵列发电装置进行测试。

表1列出了国外主要的波浪能试验场。

潮流能实验场建设时对水流方向和流速要求更加严格[12]。欧洲、美洲等地区潮流能资源丰富, 有完善的电力传输设备用于潮流能发电并网。

EMEC于2004年在Fall of Warness地区正式开展潮流能测试[13]。图3为EMEC潮流能实验场三维示意图, 其位于Westray Firth和 Stronsay Firth 两个狭窄水道间, 有7个测试泊位。图中1号、2号为测试泊位; 3号为电力通信设备, 通过其内部的通信机房实现对潮流能设备的控制和并网发电; 4号为水下涡轮机可视化测试平台, 对涡轮机功率进行动态监测; 5号为气象设备, 将气象信息及时传输给数据中心; 6号位置建设了传输数据的数据中心; 7号位置通过11 kV的海底电缆经变压器整压后实现并网; 8号位置为临时测试泊位用来进行装置临时性能测试。该实验场深度在12 ~ 50 m, 平均流速稳定在4 m/s, 距离最近的斯特罗姆内斯港口仅8 km, 方便运输。2019年2月, EMEC在该潮流能实验场安装了第二代2 MW的潮流能装置, 并计划推动商业化进程[14]。

2012年NNMREC与华盛顿大学合作建设NNMREC潮流能实验场[15], 该实验场用来促进美国潮流能项目的发展, 实现包括发电装置布置的优化设计, 测量潮流能发电装置在平流、湍流状态下的发电性能, 检测潮流能装置设备对周围附近海生生物的影响。华盛顿大学与Open-Hydro等单位合作研究了环境检测平台（Adaptable Monitoring Package, AMP）, 该平台利用海洋能发电装置供电, 通过电缆与岸上相通, 实现了对发电装置与海洋环境的实时监控, 推动了美国潮流能发电装置的进一步发展。

2020年7月10日, 韩国海洋科学技术研究所（Korea Institute of Ocean Science and Technology, KIOST）宣布与EMEC签约, 计划于韩国西南海域附近建造潮流能实验场, 预计电网容量达4.5 MW, EMEC将为KIOST提供一系列技术支持, 对测试场地的设计操作要点进行审查, 并计划于2022年投入使用。

表2列出了国外主要的潮流能试验场。

在2015年的第四届全国海洋再生能源年会上, 国家海洋技术中心宣布我国于2020年规划建成3个海洋能海上实验场, 截至2020年6月已经基本完成威海浅海海上综合实验场、万山波浪能实验场和舟山潮流能实验场的建设[20]。

2014年11月6日, 威海市与国家海洋技术中心签署共建国家浅海海上综合实验场的协议书, 标志首个国家浅海海上综合实验场正式落户威海。试验场建设在威海褚岛北部海域, 包括海上和陆地两部分, 海上部分主要用于建设仪器装备实验平台、观测与检测系统、波浪能与潮流能实验泊位; 陆域主要用于建设试验场控制与实验中心、岸基测试与观测站、配电站等基础设施。2019年9月12日, 国家浅海海上综合实验场浮式平台“ 国海试1号” 在威海褚岛北部完成布放[21], 该平台为钢质漂浮式结构, 船体长30 m、宽21 m、型深4.5 m, 设计吃水2.2 m, 具有较好的抗风浪性能, 无自航能力, 并采用双锚泊系统。

“ 国海试1号” 实验平台的成功布设标志着实验场初步具备小型潮流能机组以及海洋装备的实验能力。其浅海综合实验场主要有海上实验、对海观测实验、海洋标定三大功能。威海市政府正在依托该海上综合实验场构建具备多种海洋高端装备研发能力的科研平台。

大万山波浪能示范区位于我国南海北部万山群岛以南, 其东、南、西部都具备良好的波浪资源[22]。整个岛屿分别受到各个方向的波浪冲击, 形成较优质的波浪资源[23], 据测量点测量万山海域水深28 m左右, 年最大潮差2 m, 最大流速为1.0 m/s, 波高0.3 ~ 1.8 m, 周期2.7 ~ 8.0 s, 能流密度均值为2.2 ~ 5 kW/m[24]。目前该波浪能场预计建设总容量900 kW, 包括测试泊位300 kW, 示范泊位600 kW。该工程测试泊位安装3台单机容量为100 kW的波浪能发电机组, 示范工程安装6台单机容量为100 kW的波浪能发电机组, 出口电压为0.69 kV, 经过在装置上进行储能、升压后, 输出电压变成AC10kV。波浪能机组接线方式采用一机一整流单元接线方式, 该接线具有电压稳定、电能损耗少、接线简单、操作方便、任一台整流单元或波能发电机组故障不会影响其他机组正常运行等优点。波能发电装置输出电压为AC10kV, 采用高压橡皮绝缘软电缆接至泊位浮筒上的水密接线箱, 再通过海底电缆将电输送到岸上。

在2013年颁布的《中国海洋可再生能源发展年度报告》提到在万山岛建立波浪能发电实验区, 总建设工程面积将达到0.7 km2。2015年, 我国首台100 kW漂浮式波浪能发电装置“ 万山号” 下水, 实现理论0.5 m微小波况下间歇发电整机转换效率达到20%以上, 并于2017年4月正式并网发电。在2016年国家海洋局发布的《海洋可再生能源发展“ 十三五” 规划》[25]中提出稳步推进波浪能示范工程, 把建设总装机量500 kW的波浪能示范工程写入发展规划中, 同时准备推进多种形式单机容量超过50 kW的波浪能发电装置, 将其应用在万山波浪能实验场中进行实地实验。2018年8月31日, 260 kW的海上可移动能源平台“ 先导一号” 成功下水, 且并入三沙市电网发电。该装置是全球首个海上波-光-储互补平台[26]。2020年6月30日, 首台500 kW鹰式波浪能发电装置“ 舟山号” 在深圳正式交付, 将为我国深入开展波浪能发电技术的工程化、实用化和规模化积累运营经验。

舟山海域潮流能资源丰富, 大多数的水道最大潮流速度超过2.5 km/h, 能流密度属全国前列[27]。经过理论估计得到舟山海域潮流能资源理论蕴藏量在1.4 GW左右[28]。

目前在国家发展海洋能的倡导下, 包括三峡集团、中节能、中海油等公司配合国内顶尖研究团队, 在浙江舟山潮流能实验场开展潮流能发电实验。目前舟山地区海洋能资金项目有13个[29]。其中, 2014年5月至2015年8月在摘箬山岛海域由浙江大学承担的“ 60 kW半直驱水平潮流发电系统研究” , 在中国船级社测试报告中, 其叶轮能量捕获系数达到43.6%[28], 已成功通过验收。2019年10月28日, 舟山潮流能实验场平台成功安装, 共有3个潮流能发电机组测试泊位和1个示范泊位, 同时配备相应的检测仪器, 建成1座10 kV海上升压站。在示范泊位安装1台单机容量450 kW的潮流发电机组, 通过海底电缆将电力输送至葫芦岛的集控中心实现并网。根据规划, 该实验场最终将实现2 500 kW的发电规模。2020年4月6日, 舟山潮流能发电实验场平台完成海上机组吊装, 即将进入调试发电阶段, 对日后的国家潮流能开发实验具有重要意义。

以英国为首的海洋能强国通过国家政策、海洋基础理论建设、关键技术研发、海试、筹集社会资金进入海洋能产业等方式促进海洋能实验场的发展, 积累了海洋能实验场运营经验, 创造了可观的社会经济效益, 海洋能实验场为其能源结构的调整做出重要的贡献。其经验值得我国学习:

（1）充分利用国家政策和制度的指导作用推动企业发展海洋能试验场。2012年颁布的《英国可再生能源发展路线图》提出2020年本国海洋能需满足本国5%的电力需求。先后颁布可再生能源义务制度和差价合约固定电价政策推动传统发电企业向新能源发电企业转变, 这种基于市场化机制的强制性支持政策加快了本国海洋能技术的发展, 同时促进了海洋能实验场的快速市场化和平台化。随着测试平台中心的认证权威性日益提高, 吸引了愈来愈多的海洋能开发厂商前来评估测试。

（2）以市场为导向的企业运行管理模式运营海洋能实验场, 国外的海洋能实验场大部分作为第三方检测机构, 以为发电装置厂家提供真实有效的检测数据和评估结构为服务目标, 为前来实验的用户提供优质便捷的测试和评估服务。由国家投资建成后自负盈亏, 参与市场竞争。在市场竞争中努力建设规范化的实验平台。通过制定如发电装置设计规范、技术成熟度评价体系、发电稳定性等评价标准来建立实验场的正规性和权威性。

（3）全产业形成以海洋能实验场为测试平台的良性经济激励循环, 不断地推动相关产业技术的发展。对小比例尺模型的海上实验以及原型机的海上实验等都需要在海洋能实验场提前进行测试和认证, 以此提高装备规模化运行的可靠性。因此充分发挥实验场的平台作用, 于研究方面对接高校等研究机构, 致力于为高校科研单位提供测试协助、装置试运行等服务; 于市场方面对接企业, 致力于为企业产品提供详实可靠的商业化测试报告, 便于产品面向市场推广。

建设海洋能实验场应选择合适的选址条件。同时明确海洋能实验场的功能和特点。

全世界对潮流能实验场的基本环境要求[30]有:①水深为10 ~ 50 m; ②流速大于0.5 m/s, 小于4 m/s; ③流向基本稳定; ④在靠近岸边的附件地质层稳定, 底部没有过多淤泥沉积, 不易发生海洋灾害。

对波浪能场的基本环境要求包括[31]:①海面开阔, 建设区无大型的遮挡物; ②水深处于10 ~ 50 m; ③波能应该相对比较稳定, 年平均波高在0.5 m以上（全年平均波高大于0.5 m的月份不少于7个）, 平均周期在2 ~ 6 s; ④所在海域地质结构稳定, 方便底座装置的投放与安装, 自然灾害不频发。

对比我国, 以欧洲为代表的地区波浪能资源更加丰富, 平均能量密度在15 kW/m以上[32], 选址方面更加注重有利于经济效益的实现和装置可持续性。我国仅在部分地区存在较好的潮流能资源, 波浪能资源较欧洲相对缺乏, 平均能量密度仅为2 ~ 4 kW/m, 因此对波浪能场的能量密度、水流速度等方面要求更高, 更重视波浪能装置的转换效率[33]。我国经过长期实地选址选择了山东威海、浙江舟山、广东万山这三个地方建设海洋能实验场。

针对不同类型发电装置对于实验场的匹配要求不同, 例如潮流能发电设备对实验场中的流向有更严格的要求, 正常工作的流速控制在0.3 ~ 2 m/s, 离岸400 ~ 1 000 m, 水深要求在10 m以上。浙江舟山海域的潮流能实验场满足要求。波浪能实验场对实验场波浪的波高等因素有更严格的要求, 广东万山地区正常工作波高（H1/10）为1 ~ 3 m, 有义波高（H1/3）为0.8 ~ 2.5 m, 更适合建造波浪能实验场。

按照我国海洋能发展规划部署, 我国海洋能源开发利用的发展分为三个部分[34]:基础研究初期以政府投资建设公共实验场为主, 解决关键技术, 建设标准体系; 装置开发中期的重点是依托海洋能实验场, 检测和提高海洋能开发设备性能, 吸引海洋能开发公司前来实验。装置开发后期则由各企业发挥主要作用推动海洋能装置向产业化、规模化发展。

目前我国正处于发展初期向中期转变, 面临着两方面的发展难点:

（1）实验场方面尚未完善平台应有的建设。未能搭建起高校研究机构与市场企业之间沟通的桥梁, 无法有效地扩展本国海洋能行业市场; 尚未形成一套适用于行业统一测试的规范标准, 对于发电装置技术成熟度评价体系、发电稳定性等评价标准尚未达成行业共识; 尚未建立起统一的海洋开发测试实验数据的数据库, 对于测试信息和资源没有充分共享, 限制了海洋能开发利用装置的发展; 实验场没有建立完备的监控资料, 测试结果无法迅速转化成可用参数, 不利于各级波能转换技术的发展; 平台专业人员数、作业船舶数等方面也需要提升。

（2）外部市场方面尚未得到有效开发, 少有企业能够前来海洋能实验场实验。缺乏有效的公共宣传, 公众对海洋能实验场的认识有待加强, 社会资本进入海洋能行业有疑虑; 由于海洋能学科科研基础相对薄弱, 发展时间相对较短, 加之海洋科学技术领域涉及学科背景复杂、开发成本高昂、技术壁垒严峻, 投资回报周期长, 使得中小型企业很难在短期内积累技术并有所作为; 企业方缺失使得科研机构的装置成果无法高效转化为实际生产力, 无法进行生产放大和成果规模化。导致科研成果无法量产, 科研单位单纯依靠国家经费支撑发展, 限制了科研机构的可持续性发展, 也加重国家的财政负担。

海洋能实验场的建设直接关系到我国海洋能行业的发展速度, 是推动海洋能开发领域快速发展的关键。面对我国发展海洋能实验场的难点, 从两个方面提出建议:

（1）实验场方面需要完善平台建设, 搭建起科研机构与市场企业之间沟通的桥梁, 发挥平台的沟通作用; 对于发电装置设计规范、技术成熟度评价体系、发电稳定性等评价标准实验场, 可以组织编写相关测试规范, 编写适用于整个行业统一测试的标准, 从而保证实验场评估标准的一致性和精准性; 建设统一的海洋实验场测试实验数据库, 将可以共享的测试数据和资源进行充分共享, 以此推动科研单位之间的技术交流, 同时也促进海洋能开发利用技术的快速发展; 实验场应建立完备的监控手段, 创新丰富服务内容, 力求使测试结果适应真实的海上环境, 力求避免后期发电并网等过程可能存在的风险; 组建素质过硬的专业技术保障人员、提高可作业船舶数等保证测试过程的安全可靠。

（2）市场方面需要国家和政府对实验场发展制定详尽的规划路线, 发挥国家和政府的导向性和前瞻性, 推出海洋能发电产业相应的激励政策, 实施差异化海洋能发电上网补贴; 推出以海洋能实验场为平台, 科研单位为核心力量, 市场企业为生产主体, 推动技术成果向市场转化, 激活潜在的市场, 鼓励私人资本进入, 推动技术生产扩大, 实现科研成果向商业化的转变; 为企业使用试验场测试提供适当的费用减免, 企业作为未来科技创新的主体, 可加速科研成果的转化。鼓励企业积极使用建成的海洋能实验场进行试验, 为之后的装置模型提供详细的海试数据, 提高我国海洋能开发装置的有效性和可靠性; 政府需加大对海洋能技术的投入, 推动各个研究机构之间加强合作; 国际上加强与欧美等技术强国的合作交流, 融入全球海洋能创新与应用网络, 共享全球创新资源和市场。

建设海洋能测试场最主要的功能是为研究团队提供包括装置试运行、检测、数据跟踪在内一套完整的测试流程。同时为装置并网发电和后续能源供应提供稳定的场所和可靠的服务。有利于整个行业的产业化、综合化运行。海洋能实验场的特点是聚集形成以海洋能开发利用技术为核心, 同时推动各种海洋检测及海洋副产品的开发, 例如利用深海网箱发展渔业和养殖业、开发优质燃料、标定海洋水文环境等。实验场还能建设以海洋能、海上风能、海上太阳能为主体的多能互补一体化平台, 为多种能量综合利用提供合适的测试场所。

本文概述了国内外实验场的发展现状, 分析了国外建成的海洋波浪潮流能实验场的功能特点和运营现状。根据国外发展海洋能实验场的经验, 提出我国将面对的发展难点并给出相应的建议。面对其他国家对海洋能开发的日益重视, 我国需加快建设海洋能场, 颁布相关法规来促进海洋能事业的发展。目前尤其应加快对海洋能实验场的开发利用, 发挥好实验场的测试、评价等一系列功能特点才能保证国家海洋强国发展战略目标的实现。