海洋能發(fā)電裝置綜合檢測技術(shù)

海洋能發(fā)電系統(tǒng)綜合檢測技術(shù)國家海洋技術(shù)中心海洋能技術(shù)現(xiàn)狀實驗室檢測技術(shù)介紹現(xiàn)場檢測技術(shù)介紹海洋能發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率國際上海洋可再生能源開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展的水平和產(chǎn)業(yè)化程度各不相同，不同資源類型的海洋能利用技術(shù)發(fā)展水平也不一樣，有些技術(shù)成熟度比較高，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化程度較好。海洋能技術(shù)現(xiàn)狀海洋能分類海洋能波浪能潮汐能潮流能溫差能鹽差能潮汐能技術(shù)1作為最為成熟的海洋能技術(shù)，潮汐能技術(shù)早在幾十年前就已實現(xiàn)規(guī)?；_發(fā)和市場運作。目前裝機容量最大潮汐能電站為韓國的始華湖潮汐電站，總裝機容量為25.4萬千瓦。法國朗斯潮汐能電站我國江夏潮汐能電站潮流能技術(shù)2近幾年國外潮流發(fā)電技術(shù)發(fā)展較快，正在趨于成熟，個別發(fā)達國家已有向大規(guī)模開發(fā)轉(zhuǎn)化趨勢，制造巨型水平軸葉輪和渦輪機海流發(fā)電系統(tǒng)將是潮流能產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向。SeaGenOpenHydroU.S.A.RiverinStreamturbineSnohomishPUDSingapore波浪能技術(shù)3長期以來人們普遍認為波浪能開發(fā)利用的技術(shù)難度較大，但進入21世紀后，隨著相關(guān)技術(shù)的進步，模塊化波浪能發(fā)電技術(shù)逐漸成熟，以歐美為代表的Pelamis“海蛇”技術(shù)和PowerBuoy技術(shù)與WaveHub技術(shù)相結(jié)合，奠定了大規(guī)模開發(fā)利用海洋波浪能的技術(shù)基礎(chǔ)，具備了產(chǎn)業(yè)化條件。WaveDragonPowerBuoyPelamisOyster溫差能技術(shù)4海洋溫差能技術(shù)目前大多處于初期樣機培育階段。1979年在夏威夷州海面一艘駁船上成功運轉(zhuǎn)了一艘MINI-OTEC的閉式發(fā)電機組，系統(tǒng)發(fā)出50千瓦的電力，凈輸出功率15千瓦。1981年日本在瑙魯建成了世界上第一座功率為120千瓦的岸式試驗系統(tǒng)。MINI-OTEC鹽差能技術(shù)5鹽差能技術(shù)目前處于初級研發(fā)階段，其發(fā)電主要有滲透壓法、蒸汽壓力差法、反電滲析電池法、機械－化學(xué)法等。但功率普遍很小。挪威Statkraft公司于2009年11月研制出世界上第一臺滲透壓原理的鹽差能裝置樣機，裝機容量4千瓦，計劃到2015年完成該裝置的全比例樣機。

綜上，現(xiàn)階段較為成熟的海洋能發(fā)電技術(shù)為潮汐能、潮流能和波浪能發(fā)電技術(shù)，相應(yīng)的發(fā)電形式也多種多樣。已具備向規(guī)?；⒋笮突l(fā)展的能力，具產(chǎn)業(yè)化潛力。

同時，隨著越來越多的發(fā)電裝置在研和試運行，對其裝置的運行狀況和發(fā)電效果進行檢驗的需求也越來越迫切。小結(jié)海洋能技術(shù)現(xiàn)狀實驗室檢測技術(shù)介紹現(xiàn)場檢測技術(shù)介紹海洋能發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率

海洋能發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程分為三級轉(zhuǎn)換：一級轉(zhuǎn)換是指發(fā)電系統(tǒng)的能量俘獲部分；二級轉(zhuǎn)換是指能量被俘獲后通過機械或液壓裝置，輸送到發(fā)電機輸入端的傳遞過程。海流能發(fā)電系統(tǒng)通常采用直驅(qū)式發(fā)電機，轉(zhuǎn)換形式相對簡單；波浪能發(fā)電系統(tǒng)為獲取穩(wěn)定的輸出，一般都是先換成液壓能，再將液壓能轉(zhuǎn)換成機械能。三級轉(zhuǎn)換是發(fā)電系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換部分，即發(fā)電機將輸入的機械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。海洋能發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換

定義一級轉(zhuǎn)換效率為η1，二級轉(zhuǎn)換效率為η2，三級轉(zhuǎn)換效率為η3，則海洋能發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率η是由這三級轉(zhuǎn)換效率決定：轉(zhuǎn)換效率

針對于某一種發(fā)電形式，其二三級能量轉(zhuǎn)換的效率一般都較為恒定，因此海洋能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率決定于第一級轉(zhuǎn)換的效率η1。η3η1η2η1利用物體在波浪作用下的振蕩和搖擺運動2利用波浪壓力的變化3利用波浪的沿岸爬升將波浪能轉(zhuǎn)換成水的勢能波浪能裝置發(fā)電原理波浪能轉(zhuǎn)換裝置雖然形式多樣，但大都源于以下三種基本原理：擺式振蕩水柱式漂浮式常見的波浪能發(fā)電裝置點頭鴨式振蕩浮子式越浪式根據(jù)一級轉(zhuǎn)的不同原理，可將波浪能發(fā)電裝置分為以下幾類：波浪能發(fā)電裝置的能量俘獲波浪在傳播的過程中，伴隨著能量的轉(zhuǎn)移，或者說在波傳播的方向上存在能流。能流的速率是指單位時間內(nèi)跨過垂直于傳播方向上的單位寬度斷面的能量，亦即波浪能的平均功率或能流密度。波浪能裝置的一級轉(zhuǎn)換效率，即為裝置的俘獲寬度比，定義為裝置中提取波浪能量的結(jié)構(gòu)吸收的能量與裝置寬度內(nèi)波浪的輸入能量之比。潮流能裝置發(fā)電原理潮流能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電和常規(guī)水力發(fā)電的原理類似，水平流動的海水沖擊葉輪將水流的動能轉(zhuǎn)換為水輪機的旋轉(zhuǎn)機械能，水輪機經(jīng)機械傳動系統(tǒng)帶動發(fā)電機發(fā)電，最終轉(zhuǎn)換為電能。

海水動能電能潮流能裝置常見的潮流能發(fā)電裝置振蕩式水平軸式垂直軸式根據(jù)一級轉(zhuǎn)換方式的不同，可將潮流發(fā)電能裝置分為以下三大類：潮流能發(fā)電裝置的能量俘獲潮流能發(fā)電裝置的一級轉(zhuǎn)換效率是指水輪機轉(zhuǎn)換的能量與水輪機投影面前方來流的能量的比值。用能量利用率系數(shù)表示?！~輪吸收的總功率——海水密度——海水流速——水輪機迎流面積式中：海洋能技術(shù)現(xiàn)狀實驗室檢測技術(shù)介紹現(xiàn)場檢測技術(shù)介紹海洋能發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率實驗室檢測概述實驗室檢測是在實驗室環(huán)境下通過模擬相應(yīng)的波浪潮流環(huán)境，對實驗?zāi)Ｐ偷倪\動狀況和發(fā)電效果進行數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析的過程。模型運動數(shù)據(jù)采集結(jié)果分析實驗室檢測現(xiàn)狀在海洋能裝置商業(yè)化發(fā)展趨勢的帶動下，國外一些研究機構(gòu)在船舶與海洋工程試驗和測試技術(shù)的基礎(chǔ)上，紛紛著手開展海洋波浪能、潮流能裝置的實驗室模擬測試技術(shù)和試驗方法的研究。國內(nèi)從事波浪能、海流能開發(fā)利用研究的單位主要有中國科學(xué)院廣州能源研究所、哈爾濱工程大學(xué)、國家海洋技術(shù)中心、東北師范大學(xué)等。波浪能實驗水槽英國愛丁堡大學(xué)弧形水槽可模擬逼真的波浪環(huán)境愛爾蘭國立科克大學(xué)波浪實驗水槽可制造單方向的規(guī)則波與不規(guī)則波潮流能實驗水槽加拿大英屬潮流能實驗水槽并針對寬試驗水槽了導(dǎo)流裝置物理模型波流水槽波、流傳感器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示終端扭矩傳感器電功率傳感器發(fā)電機模型實驗室模型檢測系統(tǒng)組成波浪能模型試驗擺式發(fā)電裝置模型試驗潮流能模型試驗垂直軸潮流發(fā)電裝置模型試驗實驗室檢測步驟根據(jù)試驗需要在試驗水槽內(nèi)模擬波流動力環(huán)境，采集相關(guān)水動力數(shù)據(jù)環(huán)境模擬模型運動數(shù)據(jù)采集結(jié)果分析試驗結(jié)束后，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，計算轉(zhuǎn)換效率，繪制功率曲線模型受力后開始運動，分析其運動情況，采集相關(guān)數(shù)據(jù)在試驗過程中，對三級轉(zhuǎn)換的各環(huán)節(jié)進行必要的數(shù)據(jù)采集波流動力環(huán)境測量試驗水槽的波流動力環(huán)境測量主要采取在試驗?zāi)Ｐ颓昂蠖蔚牟鲌鲋胁煌恢梅胖貌ǜ邇x和流速計進行波高、波周期及流速測量的方法。一級轉(zhuǎn)換運動分析根據(jù)不同類型波浪能、潮流能裝置的物理模型，設(shè)計物理模型試驗的運動測量系統(tǒng)，通過在實驗?zāi)Ｐ蜕习惭b不同類型的傳感器如位移傳感器、加速度傳感器、傾角速度、作用力傳感器等來分析模型的運動狀況。相關(guān)檢測設(shè)備波高儀扭矩傳感器流速儀非接觸式六自由度測量對模型運動狀態(tài)的非接觸式六自由度運動測量是較為先進的測量方式。它主要以數(shù)字圖像處理技術(shù)為核心，通過測量模式上標(biāo)志點的運動狀況，通過空間變換來實現(xiàn)測量被測物體的運動狀態(tài)。這樣可以避免傳感器對模型運動狀態(tài)的影響。二級轉(zhuǎn)換測量原理機械能效率轉(zhuǎn)換平臺液壓原理將一級系統(tǒng)的輸出變?yōu)槎壪到y(tǒng)的輸入帶動齒輪齒條擺動液壓缸，液壓系統(tǒng)再通過單向閥組、蓄能器和精密節(jié)流閥等相關(guān)組件聯(lián)合控制，對能量進行平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，隨后帶動液壓馬達和發(fā)電機。三級轉(zhuǎn)換測量原理對于電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可通過調(diào)節(jié)可變負載來觀察其實際帶載能力，還可以配置一套多能互補系統(tǒng)來提高其利用率。電能效率轉(zhuǎn)換平臺原理圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一級轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集波浪能、潮流能轉(zhuǎn)換效率試驗測試平臺二級轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集機械能轉(zhuǎn)換效率試驗測試平臺三級轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集電能轉(zhuǎn)換效率試驗測試平臺統(tǒng)計分析分組計算影響因素對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析按照不同輸入能量分組計算分析模型運動的影響因素繪制效率曲線數(shù)據(jù)分析波浪能試驗實驗組次123456周期（s）0.91.11.31.51.71.9波高（mm）113.76120.72115.4293.4389.4173.22波功率密度(W/m)11.61617.313.113.610.2效率(%)9.5717.0124.1531.0523.4619.75對波浪能轉(zhuǎn)換模型按在不同的周期波高環(huán)境中進行分組試驗，計算出不同條件下的轉(zhuǎn)換效率：波浪能效率曲線速比平均轉(zhuǎn)速（rad/s)平均扭矩（N·m)平均電壓（V）平均電流（A）0.70589.0433.368315.05271.59720.92511.8523.72719.77491.79351.258716.12694.648126.36432.26241.651921.16484.94734.80072.41691.827823.41934.604138.68612.21561.979725.36534.08342.92081.95872.217828.41523.039650.15181.42622.508332.1380.778373.93350.2687潮流能試驗對潮流轉(zhuǎn)換模型按在某一流速不變的情況下不同速比時的采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計：潮流能試驗速比為2.5083時主軸轉(zhuǎn)速、主軸扭矩、輸出電壓和電流值潮流轉(zhuǎn)換模型某一速比（葉片線速度與流速之比）的采集數(shù)據(jù)：潮流能效率曲線速比0.70580.9251.25871.65191.82781.97972.21782.5083效率0.06010.08870.14910.21030.21430.21020.17880.0497海洋能技術(shù)現(xiàn)狀實驗室檢測技術(shù)介紹現(xiàn)場檢測技術(shù)介紹海洋能發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)場檢測概述海洋能發(fā)電系統(tǒng)在實海況下的發(fā)電能力是評估系統(tǒng)能否適應(yīng)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境條件的最佳依據(jù)?，F(xiàn)場檢測將重點測量發(fā)電系統(tǒng)所在實海況下的波浪與海流的相關(guān)參數(shù)，以及發(fā)電機的平均輸出功率，用以校驗和修正數(shù)值模型的計算結(jié)果，建立計算方法來分析轉(zhuǎn)換效率。海洋數(shù)據(jù)采集輸出功率計算轉(zhuǎn)換效率分析現(xiàn)場檢測現(xiàn)狀名稱國家發(fā)展目標(biāo)1國家海洋能源中心美國俄勒岡/華盛頓波浪能/潮流能中心、夏威夷溫差能/波浪能中心2海上泊位蘇格蘭歐洲海洋能中心3加拿大Fundy海洋能研究中心海上網(wǎng)路中心4新西蘭波浪能網(wǎng)絡(luò)中心，設(shè)備接入設(shè)施發(fā)達國家紛紛建設(shè)用于海洋可再生能源技術(shù)研發(fā)的公共試驗與測試平臺，開發(fā)公益性技術(shù)服務(wù)體系，發(fā)揮政府的支持作用。海上實驗場AGroup丹麥NissumBredning現(xiàn)場測試站英國美國丹麥愛爾蘭愛爾蘭GalwayBay實驗現(xiàn)場基地全景美國Oregon波能測試站現(xiàn)場檢測特點針對不同的海洋能發(fā)電原型機，其所需的海洋能環(huán)境不同，需要選擇相適宜的實驗場。海洋能發(fā)電原型機在實海況中運行時，其波流環(huán)境與實驗室相比更多的是隨機量，原型機的運動狀態(tài)也是隨機的。實海況條件下可采集的數(shù)據(jù)種類較少，采集密度較小，數(shù)據(jù)實時性較差；但是采集時間長，主要用來做統(tǒng)計分析。站址勘查波流海況數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場檢測儀器水深在30m以內(nèi)，采用聲學(xué)流速及海浪測量儀（簡稱“浪龍”），對現(xiàn)場的海洋動力環(huán)境進行連續(xù)觀測?！袄她垺甭晫W(xué)多普勒剖面流速及海浪測量儀現(xiàn)場檢測儀器水深在30m以上采用放置波浪浮標(biāo)搭載海流計的方式進行波流參數(shù)測量。波浪浮標(biāo)系統(tǒng)示意圖LOGO波流條件波浪能測試要求海域應(yīng)具有波高為0.5m～3.0m的條件，潮流能測試要求海域應(yīng)具有海流流速為0.5m/s～5m/s的出現(xiàn)概率。實驗負載用試驗負載器代替機組負載。負載易使用電阻型負載器，應(yīng)可連續(xù)調(diào)節(jié)大小，負載額定功率不小于試驗機組額定功率的4倍。數(shù)據(jù)采集波浪發(fā)電裝置采集的數(shù)據(jù)應(yīng)為連續(xù)測試數(shù)據(jù)中分離出的10分鐘數(shù)據(jù)。潮流發(fā)電裝置功率和效率的總測試時間應(yīng)不少于一個潮流月周期?，F(xiàn)場測試要求現(xiàn)場測試效率計算由于現(xiàn)場測試條件所限，效率計算一般都測試試驗裝置的發(fā)電電功率與裝置迎波（迎流）面的能流密度之比。通過改變不同的波高或流速條件，就可以得到其效率曲線。為在某一波高或流速條件下的轉(zhuǎn)換效率。波浪能發(fā)電裝置波浪能發(fā)電裝置該波浪裝置放置在山