美國NNMREC對我國海洋能試驗場建設的啟示*

韓林生，王鑫，路寬(國家海洋技術中心 天津 300112)

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美國NNMREC對我國海洋能試驗場建設的啟示*

韓林生，王鑫，路寬
(國家海洋技術中心 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的科研機構，目前它在波浪能和潮流能開發利用技術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境監測等方面的技術現狀，旨在對我國的波浪能和潮流能開發利用技術尤其是海洋能試驗場的建設提供積極的參考和借鑒。

波浪能；潮流能；NNMREC；海洋能試驗場

21世紀以來，努力發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利用工作取得了很大的進步，尤其是波浪能和潮流能開發利用技術方面，各種基于波浪能和潮流能的海洋能發電裝置層出不窮[1-2]。但隨著各類海洋能發電裝置陸續研發成功，如何規范、有效地對其發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，為我國海洋能的產業化發展奠定堅實的技術基礎和支撐保障”[3]。因此，建設針對海洋能發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利用技術。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，分別負責溫差能、洋流能技術的研究與推廣。

NNMREC主要由俄勒岡州立大學與華盛頓大學合作組成，旨在推動波浪能、潮流能技術的研究與發展，促進其產業化。其中，俄勒岡州立大學主要從事波浪能技術方面的工作，華盛頓大學則主要負責潮流能方向。二者與美國國家可再生能源實驗室一起合作，通過相關研究工作的開展，彌補目前在波浪能、潮流能開發和利用技術領域的空白，并研究波浪能、潮流能資源的開發對環境和人類活動的影響，使民眾及政府了解波浪能、潮流能技術帶來的機遇與挑戰。NNMREC希望最終打造一個面向美國和全世界的波浪能、潮流能技術綜合測試與科研中心。

2 波浪能領域

NNMREC在俄勒岡州立大學主要進行波浪能技術的研究與推廣，其任務和目標是：支持有發展潛力的波浪能研究技術進行實海況實驗；研究波浪能產業可能帶來的對社會經濟、環境、生態的影響；通過科研、教育等培養海洋能領域的人才，促進海洋能技術的進步；支持發展新一代的波浪能轉換技術。

2.1 NNMREC在波浪能領域開展的研究工作

波浪能發電技術商業化主要面臨兩個關鍵問題：一是裝置是否具有良好的可靠性和環境適應性，能在大多數海區實現長期布放；二是發電效率，即其發電量與成本造價能否滿足商業化運營的需求。這些問題與發電能力、發電原理、錨泊系統設計、裝置的可靠性與環境適應性、可預測性(波浪能預報)以及電能蓄能并網等問題息息相關。

(1)評估海洋能發電裝置對環境和生態系統的影響。主要是研究發電裝置本身及其產生的聲學、電磁學效應對海岸帶環境、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)優化發電裝置和陣列在海洋中的布放。通過海洋調查觀測和數值模式研究可以得到局地波浪能的分布規律，便于波浪能裝置及其陣列的布放，進一步研究發電裝置和陣列對海洋波浪場的影響、波浪對發電裝置及其電能捕獲能力的影響，并研究裝置與環境二者之間的相互影響與反饋機制。

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

(4)提升發電裝置的可靠性和環境適應性。通過研發抗生物污損的材料、合理設計錨定系統、優化機械連接構件、實現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，并支持海洋能發電與公共政策、服務方面的相關研究，從而獲得公眾和政府的支持及社會的經濟投入。

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研發機構對其設備進行實海況試驗來推進海洋可再生能源技術的進步。

PMEC測試場址選在Newport海域的優勢有：波浪資源非常豐富；有便捷的電力傳輸設施用于波浪能發電并網；當地政府十分支持，并將波浪能列入了當地海域使用規劃和政府的10年能源規劃；擁有發達的制造業，可以滿足波浪能產業的各種需求；有一個非盈利性公私合營的組織Oregon Wave Energy Trust，引導并支持波浪能技術的研發與進步；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的矩形區域，該區域水深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。該測試場并未實現并網，而是通過一個海上移動測試平臺Ocean Sentinel對波浪能設備進行相關試驗和測試，并可滿足最大功率100 kW的波浪能設備的測試需要，測試時間為每年的5—10月，在其他時間也可滿足用戶對設備其他諸如環境適應性、生物污損、錨泊系統、環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的波浪能設備WET-NZ進行了6周的測試，獲取了其發電量、裝置工作性能及環境影響等方面的數據和資料。

(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并網的波浪能試驗與測試場，SETS預計在2016年建成。SETS規劃了4個波浪能測試泊位，用于對波浪能發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施相連，進而并入公共電網。岸基設施用于收集發電設備的測試數據和波浪環境數據，提供辦公環境和實驗操作空間，同時有一個面向大眾的小型公共展區。

2.3 移動測試平臺Ocean Sentinel

Ocean Sentinel是一個基于船型浮標的6 m直徑的移動海上測試平臺，可以對非并網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合電纜與波浪能裝置相連，并通過無線通信方式與海洋環境觀測設備、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，測量發電裝置的電流、電壓等電氣參數，并通過負載將多余的電力消耗掉；② 海洋環境數據獲取，包括波浪、潮流和風等的實時觀測數據；③ 視頻監控及錨泊力、系留力和其他測量參數。

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電裝置測試任務，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境監測任務，并采用單點錨泊系留的方式以適應惡劣的海況。

3 潮流能領域

NNMREC主要由華盛頓大學負責推動潮流能領域的科學研究與發展，其任務和目標包括：通過支持海洋能領域的基礎研究，解決海洋能工程領域的技術問題并研究對生態環境和人類活動的影響等，從而彌補海洋能領域的相關空白；為美國培養海洋能領域下一代的科研工作者、技術工程師和教育工作者；通過制定海洋能裝置評價與準入相關標準促進海洋能裝置的產業化與商品化；獲得管理者與政府政策的理解與支持，吸引工業領域、科研領域的關注和投入。

3.1 NNMREC在潮流能領域開展的研究工作

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

發電裝置及陣列的優化設計與布放研究。研究確定合適的裝置布局方向和陣列布放密度，保證既能有效發揮裝置性能和充分利用潮流能資源，又不會對周邊海洋環境產生不良影響至關重要。通過該研究的最終目標是希望將來能制定發電裝置合理布局與布放密度的相關標準。

潮流能裝置對環境的影響包括：① 潮流能裝置布放后其本身及附屬結構對海洋環境的影響，如對裝置周邊流場、底部沉積物輸運等產生影響；② 潮流能裝置的動力學影響，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 化學影響，包括裝置的潤滑劑、顏料、各類涂層等產生的化學污染對生物的影響；④ 聲學影響，主要是裝置運行噪聲對海洋哺乳動物和部分魚類產生的影響；⑤ 電磁影響，發電機和電纜等引起的電磁場改變對海水生物的影響。

通過新技術和新材料的應用提高發電裝置的可靠性和環境適應性。華盛頓大學對可用于發電機轉子、驅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、結構鋼、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 海洋環境監測與測試設備

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

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

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

圖1 “海蜘蛛”加裝微型潮流能發電裝置設計

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、試驗和測試，支持波浪能、潮流能裝置關鍵技術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的電力能源系統和可再生能源研究測試中心，已有11種波浪能發電設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領域的實驗室，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比例的波浪能發電裝置試驗。

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

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

5 對我國波浪能、潮流能開發的啟示

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

(1)波浪能、潮流能產業技術的發展和進步需要有一系列公共服務支撐體系的建立與支持。海洋能裝置的研發過程為：理論研究與數模設計論證-水槽試驗模型驗證-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體系，如專業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、潮流能產業的整體進步。

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

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

(4)充分依托高校、研究所相關研究機構進行研發和試驗工作，利用其實驗室技術設施、技術人員和科研力量完善研發過程。

(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] 羅續業，夏登文. 海洋可再生能源開發利用戰略研究報告[M]. 北京：海洋出版社，2014．

[2] 國家海洋技術中心. 中國海洋能技術進展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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1005-9857(2015)07-0023-04