钟 耀 ，孙 莉 ，刘功鹏

（1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

受气候变化和能源价格上涨的影响，海洋能利用在国际上日益受到重视。波浪能发电和潮流能发电是海洋能中技术相对成熟和具备商业化开发前景的两种能源开发利用方式，国内、外科研院所正不断推出不同类型的波浪能和潮流能发电装置。

实海况试验是波浪能、潮流能装置从工程样机走向规模产业化应用的关键环节，为建立权威完整的设备测试认证体系，降低设备测试成本，促进设备技术发展，国外已由政府统一部署建成多个波浪能、潮流能测试场，如英国的欧洲海洋能中心（EMEC），爱尔兰的Galway湾试验基地，丹麦的Nissum Bredning测试中心，美国的Oregon波能测试站。我国波浪能、潮流能设备测试场还尚未起步，与发达国家存在着较大的差距。

本文依托海洋可再生能源专项资金项目重点支持项目研究成果，对波浪能与潮流能海上测试场总体布置设计进行研究。

1 波浪能与潮流能测试场选址要求分析

波浪能、潮流能海上试验与测试场的选址布置主要参考海洋能资源状况、水文气象环境、海底底质情况、自然灾害区、交通环境条件以及地方政策与规划等因素，便于装置试验和试验场后期建设与运维。

参考国内外有关案例和本项目所在海域海洋能状况及海洋环境条件，波浪能和潮流能备选场区的选址要求环境、规模要求如下。

1.1 波浪能测试场的环境条件要求

（1）海域特征。海面开阔，场址内无 （或极少）岛礁与大型海上构筑物对波浪造成遮挡。

（2）水深深度为10～50 m，局部海域可达60 m。

（3）波高。年平均波高大于0.5 m （全年中，平均波高大于0.5 m的月份应多于7个月），每年一遇大波波高小于6 m。

（4）波周期。年平均波周期2～6 s。

（5）其他要求。近岸2 km海域地质结构稳定，地形不复杂，利于坐底式装置的安装与布放。自然灾害不频繁海区，符合地方功能区划，交通便利。

1.2 潮流能测试场的环境条件要求

（1）水深深度为10～50 m。

（2）流速大于0.5 m/s，小于3 m/s。

（3）流向基本稳定。

（4）其他要求。流向相对稳定近岸2 km海域地质机构稳定，地形不复杂，底质非淤泥。自然灾害不频繁海区，符合地方功能区划，交通便利。

1.3 测试场的规模要求

测试场的功能应满足对多个波浪能装置和潮流能装置的比例样机和实尺样机进行长期海上测试和评估的要求。整个系统由波浪能装置测试泊位、潮流能装置测试泊位、岸上变电集控中心组成。

根据目前装备的研究进展情况及发展预期，测试场总体要具有同时对8个百千瓦级海洋能获能装置进行测试的能力，包括4个波浪能装置，4个潮流能装置。各获能装置因类型不同，装机容量不等，考虑测试场实际条件，因此分别设置4个波浪能装置测试泊位和4个潮流能装置测试泊位，每个泊位上装置的装机容量不大于300 kW。各电气设备及电缆均以装置的最大峰值输出功率为300 kW来进行设计。各泊位可根据实际情况分期建设，预留扩建条件。

岸上集控中心用于岸上对测试场中各泊位试验测试的海洋能装置发出的电力进行变换传输以及对各装置运行状况和参数、测试场的环境及海洋动力要素监测数据进行接收和处理，并对试验装置的运行进行远程控制。

2 某测试场的资源条件计算

2.1 某测试场的波浪能资源计算成果

对工程海域2001年～2010年的能流密度做多年年平均分析如图1所示。由图1可以看出，年平均的波浪能流密度量值分布在1.0～3.5 kW/m，从外海东北向西南递减，与年平均的波浪分布相似。东北侧受风的影响最大，面向开阔海域，受到来自北部渤海和东侧黄海的波浪影响，波浪能流密度最大。南侧由于陆地阻挡，主要受到来自东南部海域的波浪作用，能流密度较小。

图1 2001年～2010年10年平均能流密度等值线分布示意（单位:kW/m）

2.2 某测试场的潮流能计算成果

图2为某测试场海域年最大潮流密度分布图，从图中可以看出，最大能流密度的分布规律与最大可能流速分布情况大致相同，年最大能流密度高值区域出现在陆域尖角以东海域，最大值可达4 kW/m2以上，向四周呈递减趋势。

图2 年最大能流密度分布示意（单位:kW/m2）

3 某测试场的总体布置设计

3.1 场址选择

根据选址要求分析和资源条件计算成果，某测试场选择工程海域东侧距岸约2 km、面积为2 km×3 km（6 km2）的矩形海域为波浪能试验测试场场址；选择工程海域东南侧距岸约1 km、面积为2 km×3 km （6 km2）的平行四边形海域为潮流能试验测试场场址；选择西侧较为平坦的位置为试验测试场的集控中心所在地，如图3所示。

图3 波浪能、潮流能海上试验与测试场场址平面布局示意

潮流能测试站位L1、L2、L3、L4大致位置见图3，具体选址时还应综合考虑各方面因素，在满足装置施工的水深与地质条件的前提下，要保证各站位潮流能装置之间不会发生流场的干扰与遮挡，为满足此条件，相邻站位在与潮流垂直的方向 （东北－西南）的距离建议大于200 m，推荐300～400 m左右为宜，具体装置安装位置根据站位区域流速、水深与地质详细勘测之后确定。每个潮流能测试站位离岸距离以1～2 km为宜，在能满足潮流流速与水深地质条件的前提下尽可能减少电缆铺设距离。

波浪能测试站位B1、B2、B3、B4大致位置见图3所示，具体选址要根据波浪能装置的安装布放要求，综合考虑水深和海底地质条件来定。为减少各站位间波浪能的影响，建议相邻站位在与主浪向的垂直方向间距不小于200 m，各波浪能站位离岸距离以2.5～5 km为宜，在能满足浪高和水深地质条件的前提下尽量靠近岸边 （不小于2 km），减少电缆长度。

3.2 系统组成及布置

本文波浪能、潮流能试验测试场主要由波浪能试验测试场、潮流能试验测试场、海底电缆、集控中心组成，另外还包括海洋动力要素观测装置和航标灯等辅助设施，如图4所示。

波浪能试验测试场设置4个装机功率为百千瓦级的试验测试站位，为便于波浪发电装置的试验和测试，每个装置通过独立的海底电缆与岸上的集控中心连接。潮流能试验测试场设置4个装机功率为百千瓦级的试验测试站位，为便于潮流发电装置的试验和测试，每个装置通过独立的海底电缆与岸上的集控中心连接。

电力传输采用10 kV电压海底电缆，试验测试装置与海底电缆的连接采用标准的接口。在集控中心波浪能和潮流能试验测试场的电力变换与测控系统独立设置，经变换后的电能汇集后并入电网。

图4 波浪能、潮流能海上试验与测试场布局示意

4 结 语

本文通过对某波浪能与潮流能测试场的选址要求分析和资料条件计算，对某测试场进行了初步布置，得出以下结论:

（1）波浪能与潮流能测试场选址条件苛刻，尤其是环境条件要求高，合适的环境能有效的测试研发装置的性能。

（2）进行测试场的总体布置前需对测试场的资源条件进行调查与计算，本文依托的海域年平均的波浪能流密度量值分布在1.0～3.5 kW/m；年最大能流密度高值区域出现在陆域尖角以东海域，为3.8～4 kW/m2，可见本海域是比较理想的测试场位置。

（3）波浪能、潮流能试验测试场主要有波浪能试验测试场、潮流能试验测试场、海底电缆、集控中心组成。另外还包括海洋动力要素观测装置和航标灯等辅助设施。

（4）本文对测试场布置进行了初步探讨，鉴于目前国内数十家科研院所研制出几十款波浪和潮流能发电装置，我国应早日建成综合测试场，波浪能、潮流能海上试验与测试场的建成与投入使用，将大大节省波浪能、潮流能装置实海况试验前期调查与海上基础工程建设的经费与时间，极大推动波浪能、潮流能开发利用技术与产业发展。