潮流能装置年发电量估算方法研究

王鑫，武贺，王静，张巍

（国家海洋技术中心，天津 300112）

在目前全球能源危机与环境问题日益突出的背景下，潮流能这一可再生能源日益显现出其广阔的开发利用前景。在各国清洁能源激励政策与新兴能源产业推动政策的共同作用下，潮流能开发利用技术进入一个前所未有的快速发展阶段。潮流能装置的年发电量是其运行效果的重要评判依据之一，但通过统计装置长时间运行的累计电量来确定其年发电量，需要耗费大量的人力物力，且在现场恶劣环境下监测装置本身的损坏与丢失也时有发生，显然这种方法的可操作性较差。鉴于此，本文的研究基于统计分析相关原理，对短期现场监测获得的潮流数据和电功率输出数据进行分析，进而实现了对装置年发电量的估算，从而为评判潮流能装置的运行效果提供了更具可操作性的方法。

1 数据获取

为获得用于估算的潮流数据和电功率输出数据，在潮流能装置正前方来流方向设置潮流观测仪，布放的仪器距潮流能装置的距离既够保证测得流速代表装置布放位置流速，又可避免潮流能装置受到流速仪器引起的涡旋与涡流影响。根据装置运行的具体环境，一般取大于10 倍装置叶轮直径的距离布放测流装置。对于双向流发电的潮流能装置，则需要在装置前后各设置一台潮流观测仪，以保证在潮流能装置正反向发电时，均能够获得来流方向的流速。在大潮潮差日至小潮潮差日之间连续观测15 d，对于在正规半日潮或正规日潮海域连续观测7～8 d（The European Marine Energy Centre Ltd，2009）。

由潮流观测仪测试潮流能装置设置处潮流流速，由潮流能装置电力输出端设置的电功率检测仪测试电功率数据，潮流测试与电功率测试需同步进行。每5 min 获得一次平均潮流流速数据，同时每5 min 获取一次平均电功率数据，每个潮流流速数据需与同时间段采集的电功率数据一一对应。相对应的每一个潮流流速数据与电功率数据组成一个数据点。

潮流流速低于潮流能装置的最低设计运行流速或高于最高设计运行流速时，潮流能装置会停止工作，对于单向发电的潮流能装置而言，反向来流时装置也会停止工作，装置停止工作期间没有电力输出，在进行数据分析处理前需要将上述潮流数据筛选出来并剔除掉。

2 数据分析

分析装置的功率特性之前，需要首先将获得的数据点进行分组，分组依据每个数据点所包含流速值的大小来进行，划分到每组的数据点，均是满足其包含的流速值大于等于某一流速值，且小于另一流速值的数据点，作为下限的流速值定义为组的起点，作为上限的流速值定义为组的终点。因为分组的目的是对被测试的潮流能装置进行功率特性分析，所以所分的组就命名为分析区间，则组的起点和终点，即为分析区间的起点和终点，每个分析区间终点值和起点值的差值定义为该分析区间的区间宽度。划分的所有分析区间需首尾相连，区间与区间之间无重合，且保证所有的数据点均能够且仅能够分入一个所划分的分析区间中。

进行潮流能功率特性分析时，分析区间的区间宽度取0.2 m，保证有不少于10 个数据点落入每个分析区间中，如落入某个分析区间的数据点少于10 个，则可扩大分析区间宽度，以增加落入区间内的数据点，但分析区间宽度不大于0.3 m。分析区间确定后，考查各数据点所包含的流速值，则根据流速值的大小，所得到的数据点会落入不同的分析区间，将每个区间中数据点的流速值与电功率值分别作算术平均，每个分析区间的流速与电功率算术平均值构成该分析区间的代表数据点。利用计算得到的各分析区间代表数据点，利用三次最小二乘法对代表数据点进行数值拟合，获得装置的功率输出功率特性曲线。最后，统计落入每个分析区间的数据点个数在数据点总数中所占的比例，全年按8 760 小时计算，利用此前计算得到的各分析区间的代表数据点中包含的电功率算数平均值，利用如下公式估算出装置的年发电量（盛驟等，1999）。

式中：AEP 为年发电量；hAE为全年小时数；n 为参与计算的分析区间个数；ai为落入第i 个分析区间的数据点个数；pi为第i 个分析区间的代表输出功率；N 为数据点总数；

3 实测数据验证

本文以2011年12月24日-12月29日（农历初一朔望大潮期），依照前文所述数据获取方法，对岱山10 kW 潮流能发电装置开展测试获得数据为例说明方法的具体分析步骤，同时利用该潮流能装置长期运行获得的历史数据，对本方法科学性进行比对说明。本次测试选用浪龙作为测流设备，得到的垂向剖面上的流速，分为4 层，1-4 层距底的距离分别为1.5 m、2.5 m、3.5 m 和4.5 m，对剖面流速进行垂向平均，作为该时刻的平均流速进行分析。

电能输出功率计算公式：

式中：P 为输出功率，单位瓦（W）；UDC为蓄电池电压，单位伏特（V）；ID为充电电流，单位安培（A）

此次观测每5 min 获得1 组潮流数据，共获得1 331 组，获得数据范围为0～2.48 m/s，分成若干区间：小于0.6 m/s 的流速为范围Ⅰ；0.6～2.6 m/s流速为范围Ⅱ，该范围内区间宽度取0.2 m/s。检测试验获得的全部1 331 个数据，落入范围Ⅰ的基本数据记录点数共为259 个，落入范围Ⅱ的基本数据记录点共为1 072 个（图1 和表1）。统计落入各区间的流速值，取区间内的所有流速值的算术平均值，将获得的流速值，作为该区间的代表流速值。

图1 各区间流速数据个数统计图

表1 各区间代表流速和代表输出功率数据表

每5 min 取一次电平均输出功率，此次检测共获得506 个数据。获得电平均输出功率数与同时段的各流速值对应，将各流速区间内与流速对应的电输出功率值取算术平均，得到值作为该区间代表电输出功率值。

代表流速与代表电输出功率作为该区间的代表点，该点可以较准确反映对应流速下的电功率输出特性，将各代表点做拟合处理，得出潮流能系统功率输出特性曲线（图2）。

可依式（1）、（2），全年小时数hAE取8 760，计算得到数据点总数N 取1 688，参与计算的分析区间个数n 取11，计算得到装置全年连续正常运行的情况下，其年发电量约为19 896 千瓦时。

4 结论

图2 潮流能系统输出功率特性曲线

本文的研究成果基于短期的实海况观测，对潮流能装置的年发电量进行评价，评价周期短，评价成本低，且评价方法具有可靠的理论依据，可为政府科技主管部门的项目验收，科研机构的技术研发与改进，以及企业的投资技术选型，提供科学参考依据，该方法已在相关项目成果验收的过程中得到了很好的应用。当然，应该看到，不同月份大潮的潮位流速变化通常是不完全相同的，利用短期的观测结果估算年发电量会产生一定的误差，如可获得当地更长时间的潮流历史资料，结合该方法，则可明显提高估算结果的质量。此外，本文所述方法对于波浪能装置年发电量的估算同样适用。

The European Marine Energy Centre Ltd, 2009. Assessment of Performance of Wave Energy Conversion Systems,Marine Renewable Energy Guides.

The European Marine Energy Centre Ltd, 2009. Assessment of Performance of Tidal Energy Conversion Systems,Marine Renewable Energy Guides.

The European Marine Energy Centre Ltd,2009.Assessment of Tidal Energy Resource,Marine Renewable Energy Guides.

The European Marine Energy Centre Ltd,2009.Guidelines for Manufacturing,Assembly and Testing of Marine Energy Conversion Systems,Marine Renewable Energy Guides.

盛驟，謝世千，潘承毅，1999年3月，《概率论与数理统计》，高等教育出版社.