波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(shù)中心，天津 300112；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100085）

波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(shù)中心，天津 300112；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100085）

波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能評估是衡量其設(shè)計優(yōu)劣、促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵，建立具有可操作性的波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能評估方法尤為必要。從功率、效率和經(jīng)濟(jì)性三個方面給出了波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能的定量評估指標(biāo)，以實際測量的入射波浪記錄和發(fā)電系統(tǒng)輸出功率記錄為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，探討了各項評估指標(biāo)的計量計算方法，為波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能評估提供理論參考依據(jù)。

波浪能發(fā)電系統(tǒng)；性能評估；評估指標(biāo)

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(fēng)能轉(zhuǎn)化而來，而風(fēng)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(tǒng)計數(shù)字表明，全球可開發(fā)利用的波浪能約為80 000 TWh/a，占海洋能資源總量的86%，是當(dāng)年全球電產(chǎn)量的4.6倍[1]。每平方米內(nèi)可利用的波浪能約為風(fēng)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(jù)“908”近海可再生能源專項調(diào)查與評價結(jié)果，我國近海離岸20 km一帶的波浪能蘊藏量達(dá)到1 599.52萬kW[3]，具有廣闊的開發(fā)和利用前景。我國對波浪能發(fā)電系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)70年代，具備一定的研究基礎(chǔ)并已突破關(guān)鍵技術(shù)，且近年來國家對海洋能開發(fā)利用十分重視，現(xiàn)已有波浪能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化前的實海況示范運行階段。但目前國家還未出臺相應(yīng)的性能評價標(biāo)準(zhǔn)，因此建立可操作的波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能評估方法勢在必行。

波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能評估首先通過波浪觀測系統(tǒng)的現(xiàn)場測量，結(jié)合近岸的波浪數(shù)值模型，對發(fā)電系統(tǒng)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(shù)的同時，對發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行現(xiàn)場測量，進(jìn)而評估波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能，評估流程如圖1所示。本文將著重探討波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能的評估方法，基于實測數(shù)據(jù)給出波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能的定量評估指標(biāo)，以期為實際測試中波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能評估提供參考依據(jù)。

圖1 波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能評估流程圖

1 波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能評估的主要指標(biāo)

波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能評估的目的是通過對入射波浪能量和發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的測量和計算，衡量發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)劣并促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。本文主要從發(fā)電功率評估、效率評估和經(jīng)濟(jì)性評估三個方面給出了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能評估指標(biāo)，如圖2所示。其中功率指標(biāo)包括功率矩陣和性能矩陣，效率指標(biāo)包括系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率和俘獲寬度比，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括容量系數(shù)和可利用率。

2 評估指標(biāo)所需數(shù)據(jù)的獲取

圖2 波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能評估指標(biāo)

本文用于計算評估指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場測量的入射波浪記錄和發(fā)電系統(tǒng)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(yīng)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(guān)于有效波高、能量周期、入射方向譜參數(shù)、入射波功率密度、輸出平均功率等數(shù)據(jù)結(jié)果，用于各項性能評估指標(biāo)的統(tǒng)計計算。其中，輸出功率記錄的處理相對簡單，主要統(tǒng)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(shù)。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(yīng)的波浪周期[5]。Hm0和Te是波浪能發(fā)電系統(tǒng)功率和效率評估指標(biāo)中的重要參數(shù)，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(fā)電系統(tǒng)性能評估指標(biāo)解析

3.1 功率指標(biāo)

3.1.1 功率矩陣

功率矩陣是目前評估波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能的常用指標(biāo)，它描述了不同海況下波浪能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率大小。其縱坐標(biāo)為有效波高Hm0，橫坐標(biāo)通常為能量周期Te（或譜峰周期）。縱坐標(biāo)步長ΔHm0一般取0.5 m，橫坐標(biāo)步長ΔTe可取0.5 s或1.0 s，根據(jù)測試海域的實際海況選擇。假設(shè)某矩陣單元對應(yīng)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(biāo)號由坐標(biāo)上限值來確定。如果某組測量數(shù)據(jù)的入射波要素滿足HL＜Hm0≤HH且TL＜Te≤TH，則將其對應(yīng)的發(fā)電系統(tǒng)平均輸出功率值分派到該矩陣單元內(nèi)。如此反復(fù)，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(nèi)的多個功率值取簡單算術(shù)平均即得到功率矩陣。圖3給出了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的功率矩陣示意圖。

圖3 波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(shù)（如海浪譜型和方向分布等）對波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)雙峰或多峰譜）會造成同一波浪能發(fā)電系統(tǒng)性能的明顯差異。只有當(dāng)海浪譜能較好地匹配發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)特性時，才能夠獲取預(yù)期的發(fā)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(jìn)一步評估波向和海浪譜型變化等因素對波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)差矩陣等，這些矩陣的統(tǒng)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(nèi)的輸出功率分別取其最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差等。圖4給出了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能矩陣示意圖（圖中簡化了矩陣單元的數(shù)量）。通過性能矩陣可以判斷波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(nèi)對應(yīng)的平均功率、最大功率值和最小功率值比較接近，且相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差也比較小，說明波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(zhǔn)確地描述該區(qū)域海況與波浪能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率之間的關(guān)系；相反地，如果性能矩陣每個單元內(nèi)對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)差，則說明波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(yīng)參數(shù)進(jìn)一步分析研究。

圖4 波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能矩陣示意圖[8]

3.2 效率指標(biāo)

3.2.1 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率

系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率η定義為測試期間波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(shù)據(jù)對應(yīng)的入射波浪能量的總和：

式中：Psea為Δt時間內(nèi)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(fā)電系統(tǒng)，其波浪能俘獲裝置的運動模態(tài)不同，對應(yīng)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(fā)電系統(tǒng)對應(yīng)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(fā)電系統(tǒng)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(shù)據(jù)對應(yīng)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(fā)電系統(tǒng)可獲取入射波浪的波前寬度為L范圍內(nèi)的波浪能量，其定義為：

式中：Psea為Δt時間內(nèi)的入射波浪功率密度（kW/m），由式(1)求得。對于PW（kW），現(xiàn)有文獻(xiàn)中有兩種理解，一種為Δt時間內(nèi)波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率；另一種即Δt時間內(nèi)整個波浪能發(fā)電系統(tǒng)的平均輸出功率，用其對應(yīng)的俘獲寬度比替代發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的概念[10]。依據(jù)評估指標(biāo)的獨立性原則，本文采用前一種定義以區(qū)別于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，此時的俘獲寬度比用于評估波浪能發(fā)電系統(tǒng)中能量俘獲裝置的設(shè)計優(yōu)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(fā)電系統(tǒng)性能的備選效率指標(biāo)。

3.3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3.3.1 容量系數(shù)

容量系數(shù)表征了波浪能發(fā)電系統(tǒng)在測試期間能否連續(xù)高效運行的特性，決定了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本，是衡量其設(shè)計優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一。容量系數(shù)CF定義為：

式中，PWECS為Δt時間內(nèi)波浪能發(fā)電系統(tǒng)的平均輸出功率；Pr為波浪能發(fā)電系統(tǒng)的額定功率。測試期間N組數(shù)據(jù)對應(yīng)的容量系數(shù)的平均值即平均容量系數(shù)。

3.3.2 可利用率

可利用率表征了波浪能發(fā)電系統(tǒng)在測試期間無故障、免維護(hù)正常運行的能力，從可靠性的角度也體現(xiàn)了波浪能發(fā)電系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。可利用率通常可由式（10）得到：

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

4 結(jié)論

本文基于實測數(shù)據(jù)從功率、效率和經(jīng)濟(jì)性3個方面給出并分別解析了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能指標(biāo)，為波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能評估提供了理論參考依據(jù)。但本文中的功率矩陣基于測量數(shù)據(jù)而非計算數(shù)據(jù)，因此對應(yīng)較大有效波高和能量周期的矩陣單元內(nèi)的實測值較少，相應(yīng)結(jié)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(fù)雜，功率矩陣主要考慮了有效波高和能量周期對波浪能發(fā)電系統(tǒng)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(dāng)波浪能發(fā)電系統(tǒng)的性能對這些因素較為敏感時，如何量化其影響是應(yīng)該進(jìn)一步研究的問題。

[1]AEA Energy&Environment.Review and Analysis of Ocean Energy Systems Development and Supporting Policies[R].IEA-OES,2006.

[2]Wavemill Energy Corp.Electric Power from Ocean Waves[2005/2012-10-10].http∶//www.wavemill.com.

[3]張松，劉富鈾，張濱，等.我國近海波浪能資源調(diào)查與評估[J].海洋技術(shù),2012,31(3)∶79-81.

[4]俞聿修.隨機(jī)波浪及其工程應(yīng)用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社,2000.

[5]Entec UK Ltd.Marine Energy Glossary[R].London∶Carbon Trust,2005.

[6]Environmental Change Institute.Variability of UK Marine Resource[R].London：Carbon Trust,2005.

[7]Cahill B,Lewis T.Wave Energy Resource Characterization and the Evaluation of Potential Wave Farm Sites[C]//Proceedings of MTS/IEEE OCEANS'11 Conference,Kona,Hawaii,USA,2011.

[8]Smith G,Taylor J.Preliminary wave energy device performance protocol[R].OES-IA Report 02-3.1,2007.

[9]Yemm R,Pizer D,Retzler C,et al.Pelamis∶experience from concept to connection[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A∶Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2012,370∶365-380.

[10]Edward P.Assessment of performance for wave energy conversion systems[R].EMEC,2009.

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(tǒng)綜合測試技術(shù)資助項目(Y1110NY02)

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

book=78,ebook=159