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海洋可再生能源专项资金项目实施方案

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资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。
□工程示范类
□产业化示范类
■研究试验及支撑服务类

海洋可再生能源专项资金项目
实施方案

项目名称:面向实时传输海床基的波浪能供电关键技术研究与试验
项目编码:
项目承担单位( 盖章) :　
项目负责人: 　
项目起止日期: 　

国家海洋局海洋科学技术司制
二○ ○ 一 年 九 月
填 写 说 明

1.实施方案编写必须遵守实施原则, 要求内容全面、 概念准确、 逻辑清晰、 文字简练。
2.实施方案中项目经费来源与支出预算, 须与项目预算书一致。
3.实施方案中预期成果应明确具体, 考核指标应量化可考核。
4.其它说明
( 1) 实施方案各项填报内容页面不够可另附页;
( 2) 本实施方案用A4幅面纸, 正文用小四号宋体字打印, 标题用小四号黑体字打印, 表格用五号宋体字打印, 行距25磅, 页码居中, 封面不显示页码, 侧钉装订;

项目信息表
项目名称
面向实时传输海床基的波浪能供电关键技术研究与试验
项目编码
1201可再生能源
项目所在地
上海浦东新区临港新城999号
项目参加人员
30 人
实施年限
2 年
承
担
单
位
信
息
单位名称
上海海洋大学
单位性质
□科研机构 ■高等院校 □企业 □其它
单位法人代表
潘迎捷
单位所属地区
上海 ( 省、 直辖市、 自治区等)
电子邮箱

通信地址
上海市浦东新区沪城环路999号
邮政编码
06
相
关
负
责
人
项目负责人
姓名

身份证号码

学位
■博士 □硕士 □学士 □其它
专业
机电工程
职称
教授
电话号码

手机号码

电子邮箱

邮政编码
06
通信地址
上海市临港新城沪城环路999号上海海洋大学185信箱
项目联系人
姓名

电话号码

手机号码

传真号码

电子邮箱

财务部门
负责人
姓名

身份证号码

电话号码

手机号码

电子邮箱

经费预算
420万元
申请专项经费
220万元
其它财政拨款
万元
单位匹配资金
200万元
其它资金
万元
项目类别
□工程示范类 □产业化示范类 ■研究试验及支撑服务类
所属领域
□海洋能独立电力系统示范
□海洋能大型并网电力系统示范
□海洋能开发利用关键技术产业化示范
■海洋能综合开发利用技术研究与试验
□海洋能开发利用标准及支撑服务体系建设
预期成果
( 可多选)
□示范工程 ■专利 □标准和规范 ■新装置 □新产品 □新材料
■新工艺( 或新方法、 新模式) ■研究报告 ■论文论著 □数据及图件
□其它
成果应用类型
( 可多选)
■局部试点示范 □较大范围推广应用 □业务化运行
□形成规模生产能力 □实现产业化 ■实用技术自主研发能力
□其它
内容概述
( 500字以内)
本项目基于海洋工程、 流体力学、 电力电子和材料等学科的交叉, 对已有技术进行集成, 结合海床基等离岸海洋观测设备实时数据传输与处理对电能的实际需求, 在前期成果的基础上, 经过产学研通力合作, 进行水动力计算和模型试验, 揭示波浪与浮子之间相互作用规律; 研究开发出小型和模块化波浪能发电低损耗能源供给装备, 设计自适应波浪变化的高效能量转换及控制装置及系统。突破波浪能高效吸收和转化技术、 海洋观测设备电源管理与可靠供电技术、 以及装置间的水下电力传输等关键技术、 关键工艺, 形成单机容量不低于300瓦、 总装机容量不低于1.2千瓦的样机并进行海上试验, 至少稳定运行三个月以上。并解决六级海况下长期持续可靠供电问题和对海洋观测设备的电磁干扰问题。主要研究内容: ①经过产学研合作, 研制出小型模块化波浪能模块化供电装置及系统。②设计波浪能吸收装置, 研究可变频控制系统; ③海床基等离岸海洋观测设备电能需求描述和小型模块化供给装置; ④可靠性研究; ⑤发电设备运行状况监测控制和故障诊断; ⑥样机水槽测试和海上试验。

预期成果及
考核指标
( 500字以内)
(1)预期成果
①掌握小型模块化的海洋能供电技术和电源管理技术, 研制一套高效的波浪能发电装置。
②设计出稳定可靠的面向海床基用供电系统。
③提供示范应用报告和具有前瞻性的海洋新能源研究开发报告。
(2)考核指标
①波浪能供电装置试验样机。单机容量300瓦以上、 总装机容量不低于1.2千瓦的海洋能供电装置试验样机, 结合海洋环境观测系统或平台的实际用电需要进行海上试验, 无故障运行时间累计不少于2150小时。
②具有较好的海洋环境适应能力, 可在六级海况下正常工作, 监测装置和数据通讯设备不产生电磁干扰, 发电系统输出电能稳定, 最大功耗下的输出功率不低于额定功率的60%。
③相关研究成果发表SCI/EI论文5篇以上、 申请创造专利4项以上, 完善海洋能研究团队, 培养研究生5-9名。提供项目总结报告和具有前瞻性的海洋能开发建议报告各1份, 完成项目鉴定。

项目实施方案填报内容

一、 项目概述( 项目基本情况、 实施地点的资源状况及环境条件等) 7
1、 试验场所选择及供电设备适用条件分析 7
二、 项目必要性及需求分析 9
1、 项目必要性 9
2、 项目需求分析( 项目实施产生的重大经济、 社会效益等) 9
三、 国内外技术现状、 发展趋势 10
1、 波浪能开发利用现状 10
2、 波浪能发电在海洋观测设备上的应用 11
四、 项目主要内容 13
1、 总体目标及年度目标 13
2、 主要工作内容 14
3、 预期成果及考核指标 18
五、 项目技术方案( 总体设计、 工艺流程、 技术路线、 关键技术、 技术难点及创新点等) 19
1、 技术路线 19
2、 拟解决的关键问题 20
3、 创新点 20
六、 项目组织管理 21
1、 项目实施组织管理( 项目组织实施方式及组织管理措施) 21
2、 项目质量保证体系和控制措施 22
七、 项目实施计划进度 22
1、 .8- .1 22
2、 .2- .7 23
3、 .8- .1 23
4、 .2- .7 23
八、 项目风险分析 23
九、 现有技术与条件保障 24
十、 经费预算及来源渠道 27
1、 经费预算及明细表 27
2、 各承担单位分工及经费分配 36
3、 经费预算说明书 37
十一、 项目承担人员基本情况表 40
十二、 项目承担单位意见 42
十三、 项目单位主管部门意见( 归口国家管理项目须提供) 42
十四、 地方海洋主管部门意见( 归口地方管理项目须提供) 43
十五、 专家评审意见 43
十六、 国家海洋局海洋可再生能源开发利用管理中心意见 45
十七、 国家海洋局意见 45
十八、 附件 46
1.企业营业执照、 组织机构代码证、 法人证书等复印件 46
2.与合作单位的合作协议书 46

一、 项目概述( 项目基本情况、 实施地点的资源状况及环境条件等)
本项目根据海床基等离岸海洋观测设备实时数据传输与处理对电能的需求, 经过自主创新或引进消化吸收再创新相结合的方式, 在上海海洋大学开发成功的波浪能发电装置样机基础上, 研究开发环境适应性和低维护成本的, 基于波浪能等海洋新能源的小型模块化供电装置及系统, 突破波浪能高效吸收和转化技术、 海洋观测设备电源管理与可靠供电技术、 以及装置间的水下电力传输等关键技术、 关键工艺, 形成单机容量不低于300瓦, 总装机容量不低于1.2千瓦的样机并进行海上试验, 至少稳定运行三个月以上。并解决六级海况下长期持续可靠供电问题和对海洋观测设备的电磁干扰问题。
本项目在国家海洋局东海标准计量中心的相关海床基设备上开展研究, 实施地点在上海和浙江沿岸, 根据海洋局的波浪能资源调查, 两地沿海可开发的波浪能资源分别为164.83MW和2053.40MW, 波浪能资源丰富。海上试验将在东海三门湾进行, 在布放选址完成后, 采用锚链和浮筒进行连接, 根据装置设计要求, 经过船舶运送布放, 连接, 启动, 对其工作状态进行实时监测和测试, 获取实际数据和资料, 与理论数据和水槽测试数据进行对比分析。海上试验还将对装置投放、 回收过程进行研究和试验, 检验其在六级海况下工作状态。进行海上试验后, 进一步在舟山、 长江口等海域进行试验, 以验证系统工作的稳定性。
1、 试验场所选择及供电设备适用条件分析
海上试验将在东海三门湾进行, 在布放选址完成后, 采用锚链和浮筒进行连接, 根据装置设计要求, 经过船舶运送布放, 连接, 启动, 对其工作状态进行实时监测和测试, 获取实际数据和资料, 与理论数据和水槽测试数据进行对比分析。海上试验还将对装置投放、 回收过程进行研究和试验, 检验其在六级海况下工作状态。进行海上试验后, 进一步在舟山、 长江口等海域进行试验, 以验证系统工作的稳定性。

海上试验区域

三门湾位于浙东沿海, 宁波与台州之间, 北距定海港80海里, 南距海门港34海里, 北靠象山半岛, 与象山湾相隔最短的蜂腰宽10～13公里。湾口东起南田岛(牛头山)金漆(七)门, 西至坡坝港牛头门, 宽14海里; 口部至湾北底部泗洲头, 纵长18海里。口部有三门岛、 五子岛相扼。湾的东、 北、 西三面环山, 深割象山半岛的南部海岸, 半封闭海湾。
该海域湾内还有海游、 陈湖、 沥洋、 车岙、 蟹钳等港。湾内海岸曲折, 泥滩宽阔, 并间嵌有蛇蟠山、 青门山、 下万山、 满山等大小岛屿40余个, 部分泥滩与岛屿之间已被围垦。湾内西部水域较深, 东部水域较浅, 一般水深5～10米, 平均水深8-10米, 青门山以西水域水深达10～25米, 平均波高 0.9一1.5 , 最大波高 2.3—3.2, 均波周期 4.0—6.4, 流速湾口1.5-2.5节, 蛇蟠水道2.3～3.3节, 由于在港湾, 湾口有东箕、 渔山等列岛作屏障, 口外海域水深宽广, 满山水道的北部至五屿门海域礁石较多, 航行极为不便, 因为避开了商船航线、 捕鱼、 养殖或休闲区, 同时可避7～8级大风, 湾内有导航设施, 有利于试验的正常进行。同时由于海浪的能量都集中在海面附近, 该海域水深适宜。
由于波浪能发电装置主浮箱4.3×1×0.35米, 各部分重量总计500公斤左右, 只需要对海床基适当改造, 加以连接电缆的快速接头即可使波浪能发电装置海床基相连; 同时波浪能采取浮球多点系泊, 电缆采用普通电缆, 因此安装施工和试验基本不会对海域环境造成影响, 业务化运行将纳入海洋管理部门的统一管理。
进一步补充试验场所选择及供电设备适用条件分析( 王世明)
二、 项目必要性及需求分析
1、 项目必要性
海床基等离岸海洋观测设备是海洋调查、 军事维权、 经济发展、 环境保护、 海洋资源综合利用、 减灾防灾的重要载体。海床基海洋动力环境自动监测系统集声、 光、 机、 电于一体, 可放置在水深100米以内的水下, 在恶劣对海域风、 浪、 潮、 流等动力环境要素和温盐、 水质海洋要素进行实时和长期的观测。
当前国家海洋局在各海域布置了各种离岸海洋观测设备, 仅在渤海区域内就布设了8套海床基海洋环境自动监测站系统, 初步形成了海洋观测网。离岸海洋观测设备都是自带能源, 主要靠蓄电池, 有些设备用太阳能发电给蓄电池充电。蓄电池容量有限、 维护成本高, 太阳能发电姿态控制困难、 对天气的依赖性强。地球上海洋面积占72%, 全世界理论上可再生的海洋能总量为766亿千瓦, 技术允许利用功率为64亿千瓦, 约为当前全世界发电机容量的2倍。其中, 海浪能密度最高, 约为20亿千瓦。根据海洋观测资料统计, 中国沿海海域年平均波高在2米左右, 波浪周期平均6s左右,可开发利用的约5亿千瓦。利用小型、 模块化的波浪能发电装置对海床基等离岸海洋观测设备和平台供电, 是最直接和可行的方案, 具有广阔前景
2、 项目需求分析( 项目实施产生的重大经济、 社会效益等)
当前海床基和浮标的供电主要经过蓄电池配合太阳能等方式来进行, 由于其缺陷的存在, 东海分局等应用单位对更加有效的低维护强度供电手段需求十分迫切。本项目研究能够满足离岸海床基等设备的连续稳定供电需求。应用可再生波浪能作为海洋观测设备的能源, 延长观测设备的免维护使用周期, 提高效率和使用寿命。经过对海床基等海洋观测设备波浪能的集成应用与创新, 推动海洋新能源的产业化进程, 有巨大的经济效益和社会效益。
三、 国内外技术现状、 发展趋势
1、 波浪能开发利用现状
波浪能转换装置一般要经过三级转换: 第一级为受波体, 用以吸收波浪能; 第二级为中间转换装置, 它把吸收的波浪能转换为某种特定形式的机械能; 第三级为发电装置, 将机械能转化为稳定的电能。从吸收波浪能的结构形式来划分, 人们创造了振荡水柱式、 浮子式、 摆式、 点头鸭式、 筏式、 蚌式等。
最早的波浪能创造专利是1799年法国人吉拉德父子获得的, 她们尝试为一种能够附在漂浮船上的巨大杠杆申请了专利, 它能够随海浪一起波动来驱动岸边的水泵和发电机; 1964年, 世界上第一台小型气动式波浪能发电装置创造。1985年, 英国在苏格兰的艾莱岛建造了一座75kW的振荡水柱波力电站; 1995年, 世界上首台商用波浪发电机在英国克莱德河口海湾发电, 容量达 kW; , 在苏格兰伊斯雷岛附近建成波浪发电厂并开始运行, 生产能力为500 kW; , 在苏格兰奥克兰群岛上设立”欧洲海洋能量中心”, 这是全球首座海洋能量试验场, 它将对新型海洋能源技术和设备进行试验和推广。 , ”欧洲海洋能量中心”正式启动新研发的海浪能源系统。英国也正在建造1兆瓦”巨蟒”装置, 计划于 建成运行。到当前为止, 世界上已有日本、 英国、 爱尔兰、 挪威、 西班牙、 瑞典、 丹麦、 印度、 美国等国家相继在海上建立了波浪发电装置。苏格兰的自动气象站波浪能转换器是一个固定于海底的圆筒形浮子, 位于波浪中的充气套管与底部的缸体做上下相对运动, 将动能转化为电能。当一个波峰带到来时, 缸顶与上部”浮子”压缩气缸来平衡压力, 相反, 波峰过后, 汽缸膨胀。这种相对运动在浮子下部的缸筒内转换为电流, 经过液压系统及电动发电机组发电。在大西洋北部, 在具有连续输出平均功率高达1兆瓦的惊涛骇浪中, 自动气象站负荷率达到25％～30％。虽然国内外波浪能发电装置的研究与开发已取得了一定的成果, 可是与太阳能、 风能等清洁能源利用装置相比, 现阶段波浪能发电并没有普及, 主要存在能量转换困难、 效率低下、 成本高和工程性差等问题。更为重要的是, 这些装置大都安装在海岸上, 未能应用到离岸工作的海洋观测设备上。在国内, 中国科学院广州能源研究所等单位, 在利用海洋能供电技术方面进行了深入研究。经过上海市教委重点项目等的支持, 上海海洋大学海洋工程研究所也已经对海洋能基本发电机理、 转换机构、 电能存储与使用, 并开发除了波浪能和潮流能样机, 与海床基等离岸观测设备的需求对接、 电能水下传输等技术进行了深入研究。
2、 波浪能发电在海洋观测设备上的应用
海床基设备是一种在海底工作、 自动监测海洋环境各种参数的装置。可布设于河口、 港湾或者近海海底, 对悬浮泥沙参数以及引起悬浮泥沙运移的海洋动力参数进行长期、 同步、 自动测量, 为分析研究各种海洋动力条件下特别是大风浪条件下悬浮泥沙的运移规律提供资料。它对于海洋工程建设、 航道疏浚、 海港整治、 水下管缆铺设、 海上安全作业和海洋动力沉积学研究等均有重要的意义。当前, 海床基上观测设备电能供给都是自带能源, 主要靠蓄电池, 有些设备用太阳能发电给蓄电池充电。而海床基当前最大太阳能供能500W, 太阳板已处于极限。而且太阳能发电强烈依赖天气和发电设备的位姿, 比如在梅雨季节无法发电, 在南方阴雨、 大雾天气, 都无法正常工作。另一方面, 蓄电池容量也是有限的, 一般使用1-3个月, 需要捞起维护, 成本高。离岸设备又无法经过电缆供电, 不能满足新型海洋观测仪器增加, 迫切需要开发新的能源供给。本项目面向实时传输海床基设备, 研究基于波浪能等海洋新能源的小型模块化供电装置及系统, 突破现有波浪能发电技术, 实现波浪能稳定持续长时间地为海洋观测设备供电, 能够解决离岸海床基设备的连续稳定供电问题、 延长离岸观测设备的免维护周期; 同时, 该发电装置也能够轻易地扩展到其它应用领域, 为研究具有中国自主知识产权的海洋经济开发及海洋军事维权装备和关键技术做出应有的贡献。
海床基海洋动力环境自动监测系统集声、 光、 机、 电于一体, 可在恶劣环境下长期监测风、 浪、 潮、 流等动力环境背景和温盐、 水质海洋要素。能够为近岸工程、 海上平台、 港湾建设提供前期调查服务。为军事海洋学研究服务。经进一步开发, 可组成用于不同目的的水下综合测量系统。对渤海环境进行全面的、 长期地监测。”海床基海洋动力环境自动监测技术”是一种有效的手段。当前, 在渤海区域内布设8套海床基海洋环境自动监测站系统( 大连—蓬莱一线四套, 渤海内布设四套) 对研究渤海的自净化能力和对渤海的治理决策将提供科学依据。对于长期监测台湾海峡的海洋动力环境服务军事和国民经济都具有重要的意义。中国海军也提出对海洋动力参数测量的要求, 用于海军海上试验场区海洋环境长期观测。近几年在中国沿海多次发现国外投放的水下海洋动力参数监测系统, 这主要是为军事服务的。海床基海洋环境自动监测站系统如下图:

海床基海洋环境自动监测站系统
当前, 用于实时数据传输的海床基单个传感器最大供电需求为60瓦, 集成5个传感器最大供电需求为300瓦, 能够用本项目开发成功的样机完全能够满足5个传感器的供电需求; 同时, 该项目方案采取模块化的组合方式, 如果需要更大的电能供应, 只需进行模块化的组合即可满足海洋环境观测系统或平台的实际使用。由于采用了采取粗钢丝铠装电缆直流输电方式, 及水密接插件, 自动沉降等自我保护控制系统, 极大地提高了可靠性, 该波浪能供电系统可抗6级海风。
为保证项目实施的可靠性, 除了在海床基上增加快速接插口外, 试验之前, 使海床基和波浪能供电系统同步布放, 以保证安全性。
进一步补充发电设备与受电设备的联结方式, 接口, 等分析( 匡兴红)
3、 发电设备原理图、 与受电设备的联结方式的总体系统示意图及各部分功能设置和分析

四、 项目主要内容
1、 总体目标及年度目标
本项目根据海床基等离岸海洋观测设备实时数据传输与处理对电能的需求, 经过自主创新或引进消化吸收再创新相结合的方式, 在上海海洋大学开发成功的波浪能发电装置样机基础上, 研究开发环境适应性和低维护成本的, 基于波浪能等海洋新能源的小型模块化供电装置及系统, 突破波浪能高效吸收和转化技术、 海洋观测设备电源管理与可靠供电技术、 以及装置间的水下电力传输等关键技术、 关键工艺, 形成单机容量不低于300瓦、 总装机容量不低于1.2千瓦的样机并进行海上试验, 至少稳定运行三个月以上。并解决六级海况下长期持续可靠供电问题和对海洋观测设备的电磁干扰问题。为离岸海洋观测设备和平台稳定供电奠定基础。
年度目标
( 1) 目标: 水动力学计算, 确定吸收装置设计方案。完成面向海床基波浪能供电装置的总体方案论证, 确定总体方案。
( 2) 目标: 海床基设备接口设计, 保证观测设备可靠运行, 设计出变频变幅的吸收装置控制系统及与吸收装置运动相匹配的能量转换系统。完善面向海床基的波浪能供电装置功能, 完成样机模型制作。根据水槽测试结果, 评估样机结构合理性、 吸收效率和可靠性等技术性能, 进行系统改进, 完成海上试验样机制作。
( 3) 目标: 海上试验, 对样机工作状态进行实时监测, 获取实际数据和资料, 与理论数据和水槽数据进行对比研究。根据海上试验分析结果, 评价性能指标, 进一步改进样机设计。撰写研究技术报告和总结报告, 完成项目鉴定。
2、 主要工作内容
( 1) 经过产学研合作, 研制出小型模块化波浪能模块化供电装置及系统。
基于当前所研制成功的基于双层叶轮的波浪能吸收装置, 进一步优化, 设计浮子+双层叶轮+液压系统的小型模块化波浪能吸收、 转换和发电装置。经过现有系统设计内筒壁膛线, 改变导流筒内水流方向, 实现对叶轮的直接冲击, 提高转换效率。设计角度可变式叶轮, 使其随波浪上下方向运动将波浪能吸收转化为机械能的过程中的机械运动输出为单向, 减少后续处理环节, 提高吸收效率。与一般的波浪能吸收装置相比, 基于叶轮的模式由于是一种”软”转化, 使其受到波高等因素的影响小, 能够确保在恶劣海况下的正常工作。另外, 吸收装置主要是经过置于海水中的浮子进行带动, 浮子的几何形状是影响能量吸收率的重要因素, 利用弗汝德一克雷洛夫理论计算大尺度受波体的波浪力。根据水动力学计算结果, 经过数值仿真和优化, 研究浮子形状和尺寸与波浪能吸收效率之间的关系, 设计出结构尽量简单可靠且吸收效率高的浮子。
在波浪能转换和发电系统的设计方面, 为确保发电的稳定性, 采用液压系统进行。柱塞泵将机械能转换成液压能, 液压马达将液压能转换成机械能输出系统, 经过液压马达带动发电机发电。
( 2) 设计波浪能吸收装置, 研究可变频控制系统
海洋波浪是千变万化的, 对浮子能量吸收效率会产生很大的影响。当浮子在海水中与波浪发生共振时, 其吸收效率最大。发生共振时, 浮子的起伏自然频率等于波浪圆频率。本项目研究由传感器、 PLC以及相应的机械结构组成的控制系统, 使浮子的吃水深度等参数随波浪的变化而变化, 使浮子振荡频率自适应于波浪的频率, 浮子与波浪每时每刻都发生共振, 从而提高浮子的吸收能量。在此基础上进行动力学仿真和优化设计, 设计合适机构, 使转换装置输出的能量稳定并最大化。同时为了提高波浪能发电装置的海洋环境适应能力, 浮子采用了复合材料, 并有自动下潜功能, 确保在台风情况下, 设备不被破坏。
( 3) 海床基等离岸海洋观测设备电能需求描述和小型模块化供给装置
波浪能转换成电能后, 将经过整流、 滤波、 存储、 逆变等环节输出给海洋观测设备。
由于海浪能量本身具有的不稳定性, 需要研究如何输出质量稳定的电能, 包括: ( a) 电能质量的检测: 实时在线检测波浪能发电输出电能指标, 并将指标参数经过有线或者无线方式将数据发送到数据中心进行电能质量分析; ( b) 电能质量的控制: 研究波浪能发电装置控制系统, 保证输出质量, 并对供电网络中出现的电能干扰进行补偿。从软硬件研究电磁兼容性抗干扰措施, 并防止对其它海洋观测设备产生电磁干扰。
由于海洋环境的特殊性, 需要研究发电系统适应海洋环境的措施, 包括: 研究面向海床基各观测设备的能源自动分配技术, 光电复合海缆, 直流输电技术; 对水下低压接驳和水密接插技术。
经过对各单元模块进行优化组合, 建立适宜在海洋观测系统或平台上搭载供电系统, 保证海洋观测设备长时间、 连续稳定运行。
( 4) 可靠性研究
为了提高抗浪能力和可靠性, 浮子采用工程橡胶和普通钢材的复合材料, 增加柔性, 并选择牺牲阳极法: 用铝阳极代替锌阳极。为了防腐和防止海洋生物附着, 表面用全波红外涂料进行涂装, 提高抗腐蚀能力和耐久性。进一步考虑海浪发电装置的状态监测和故障诊断技术, 以及下潜保护功能, 台风来临时, 最大深潜深度为50米。为增加可靠性, 采取防缠绕电缆卷绕系统, 在电缆两端增加卷筒; 用倒S形锚链, 上挂浮球, 下挂沉块。
进一步补充发电设备与受电设备的系泊方式, 抗台风措施, 自动下潜系统设计( 李永国)

电磁兼容性: 主要有传导干扰和辐射干扰两种形式, 本项目将对兼容性进行测试, 使用低功率电路, 使用双绞线的差分输出信号和电源去耦技术, 过滤或屏蔽技术, 各模块分别封装, 同时采取软开关切换技术。
( 5) 防止电缆缠绕和供电锚系方式研究
防缠绕、 防扭矩和防牵引系统: 粗钢丝铠装电缆足够的抗扭能力, 在选择合理的卷绕工艺以减小扭切的基础上, 为防止铠装电缆缠绕, 在电缆两端增加卷筒, 并采用弹力张紧检测传感器和扭矩释放机构, 经过实验测试其张力并设置控制参数。同时粗钢丝铠装电缆采用倒S形状与海床基进行连接, 能够有效地防止被牵引。供电系统采取潜水式浮筒的混合多点系泊方式, 同时防止台风等自然灾害对整个系统造成严重的损坏, 实现在风、 浪、 流作用下全天候的安全、 可靠、 精确地供电。
( 6) 输电系统及电源管理系统设计方案
为了增加可靠性, 采取粗钢丝铠装电缆, 直流输电。电缆外部的粗钢丝足以防止因为鱼咬而遭到破坏。传感器和仪表之间采用屏蔽双绞线进行总线型连接, 经过通讯扩展卡进入监控主机。
对波浪能供电装备的实时运行状况进行监测、 控制是非常必要的。对发电设备用电信息如负荷、 电压、 电流、 电量、 需量、 电能质量、 线损、 变损等电力信息以及海床基各观测设备的耗能情况、 运行状态经过数据通讯设备在线采集、 监视、 控制、 统计、 分析, 便于管理人员实时掌握该范围的用电负荷情况及总体能源消耗情况。同时对其基本故障进行诊断和诊断分析, 并使其具备部分自愈功能。确保发电设备和观测设备的可靠运行。主要功能: 系统运行监视和控制、 报警和事件管理、 历史数据管理、 报表管理、 用户权限管理、 第三方通信功能。
电能管理系统根据海床基的实际需求, 经过遥测和遥控能够合理调配负荷, 采取智能控制算法对发电设备供电量和电能质量进行分析, 经过在线电能质量指标参数测量, 为电能传输、 智能分配、 储能装置的充放电控制策略设计提供重要依据; 实现系统的发电、 输电、 变电、 配电、 用电和调度各个环节的管理, 实现重点研究储能装置的充放电控制系统、 低能耗电源供给技术, 提高波浪能发电系统运行稳定性、 可靠性。发电设备供电量不足时, 蓄电池自动释放电能, 当供电量过大时, 自动实现对蓄电池的充电, 实现供电量和电能质量的控制。
电源管理系统主要实现以下主要功能:
( a) 智能电力能效管理
经过计算机控制的智能控制器, 提高配电系统自动化程度; 使发电、 配电、 用电控制、 调度和维护达到新水平。采用数字化新型监控元件, 使配电系统和控制中心向上提供信息量大幅度增加; 接线简单、 便于安装, 提高了工作可靠性; 能够实现数据共享, 减少信息重复和信息通道。
( b) 海床基及传感器的信息化
对海床基及传感器进行远程线控制、 编程和组态等, 具有监控、 保护和通讯功能
( c) 负载各种电信号远程动态监测功能
监控中心随时经过软件各种实时运行状态参数, 绝缘子泄露电流、 脉冲频次、 温度、 湿度, 线阻等参数远程显示、 监控和整定, 把检测参数在相应画面和报表中显示出来, 并根据需要对其数据自动生成分析图表和报表, 分类进行存储, 接受各种形式的查询;
( d) 远程遥控功能
在数据中心经过软件远程控制参数进行设定和干预;
( e) 报警功能
对各种误操作和超标准数据分级进行声光电报警, 提供多种报警检查方式;
( f) 系统故障自诊断、 自愈和保护功能
将系统电气设备过载、 短路、 欠电压、 过电压等故障回传岸上的管理中心, 以便人工干预和指导现场维护; 同时系统具有自诊断功能, 对存在的潜在故障事先提醒或传回岸上的管理中心。”自愈”指的是把系统中有问题的元件从系统中隔离出来而且在很少或不用人为干预的情况下能够使系统迅速恢复到正常运行状态, 从而不中断对海床基的供电服务。
( g) 大型数据库功能
所有数据信息都会自动保存在中心服务器的大型数据库中, 便于历史数据检索和数据分析。
( h) 分析曲线
根据数据库绘制实时曲线图和历史趋势曲线图, 只需简单输入点名和选择相应参数。
( i) 历史报表
能根据需要按不同的时间周期如日、 周、 年、 月等自动生成各种报表。对数据存储的时间范围间隔起始时间等可任意指定, 也可根据时间来查询。对于汇总数据按指定的时间段进行列表和图形方式分析、 列表分析以表格的方式给出上述数据, 图形方式经过曲线、 柱状和饼状等图形直观的显示。
( j) 系统扩展功能
增减监测点容易, 预留40%以上的扩展空间, 64点I/O通道预留足够日后扩容。
( 6) 样机水槽测试和海上试验
改造波浪能供电装置模块化实体样机, 并进行水槽测试和海上试验验证。水槽测试将在动水槽中进行, 在不同模拟海浪状态下, 测试装置的原理及其结构设计的合理性、 流体动力性、 能量转换率、 电能传输性等技术性能, 在水槽试验的基础上对上述指标进行修正和优化。密封和腐蚀已成为制约海洋设备可靠性和寿命的瓶颈。设计海洋环境下仪器、 设备密封方式, 评估不同海水深度、 压力下密封系统的可靠性。
3、 预期成果及考核指标
(1)预期成果
①掌握小型模块化的海洋能供电技术和电源管理技术, 研制一套高效的波浪能发电装置。
②设计出稳定可靠的面向海床基用供电系统。
③提供示范应用报告和具有前瞻性的海洋新能源研究开发报告。
(2)考核指标
①波浪能供电装置试验样机。单机容量300瓦以上、 总装机容量不低于1.2千瓦的海洋能供电装置试验样机, 结合海洋环境观测系统或平台的实际用电需要进行海上试验, 无故障运行时间累计不少于2150小时。
②具有较好的海洋环境适应能力, 可在六级海况下正常工作, 监测装置和数据通讯设备不产生电磁干扰, 发电系统输出电能稳定, 最大功耗下的输出功率不低于额定功率的60%。
③相关研究成果发表SCI/EI论文5篇以上、 申请创造专利4项以上, 完善海洋能研究团队, 培养研究生5-9名。提供项目总结报告和具有前瞻性的海洋能开发建议报告各1份, 完成项目鉴定。
五、 项目技术方案( 总体设计、 工艺流程、 技术路线、 关键技术、 技术难点及创新点等)
1、 技术路线
项目技术路线, 如图1所示。对波浪能发电装备进行水槽试验, 模拟不同海浪状态下, 测试装置的原理及其结构设计的合理性、 流体动力性、 能量转换率、 电能传输性等技术性能, 在水槽试验的基础上对上述指标进行修正和优化。并在东海三门湾选址, 进行初步海上试验, 获取实际数据和资料, 与理论数据和水槽测试数据进行对比分析。

图1 技术路线

2、 拟解决的关键问题
①高效波浪能发电装置的设计和样机制造
对于可再生能源来说, 高效转换技术是本项目需要解决的关键, 由于波浪的不稳定性导致转换装置经常处于非设计工况。本研究一方面要解决吸收装置的变频变幅问题。基于水动力计算, 设计变频变幅的吸收装置控制系统, 使供电装置工作在设计工况附近, 提高吸收转换效率。另一方面要解决能量匹配问题。正确设计与吸收装置运动相匹配的能量转换系统, 制造出样机, 使能量的转换高效、 稳定、 可靠。
②电能质量检测与控制技术及能源管理
研究新型电能质量分析信号处理算法, 实现在线电能质量指标参数测量, 为电能传输、 智能分配、 储能装置的充放电控制策略设计提供重要依据; 研究储能装置的充放电控制系统、 低能耗电源供给技术, 提高波浪能发电系统运行稳定性、 可靠性。
③供电装置的小型模块化与海床基系统的集成
研究波浪能发电装置、 电能质量管理装置、 面向海洋浮标各监测设备的波浪能发电低损耗能源供给技术、 接驳盒仪器即插即用技术、 控制系统的小型化、 模块化, 实现海床基等观测设备高效集成, 为离岸工作的海床基等观测设备提供能源供应。
3、 创新点
本项目结合海床基海洋等离岸海洋观测设备对电能的实际需求, 在前期成果的基础上, 经过产学研通力合作, 对已有技术进行集成, 研究开发出小型和模块化波浪能发电低损耗能源供给装备, 为海洋可再生能源开发利用提供装备和技术支持。具有较高的科学技术含量、 地区特色和推广应用价值。
①解决海床基海洋等离岸海洋观测设备持续和长时间供电的难题。
当前离岸的用于航标灯的小型波浪能发电装置使用的主要是空气透平的转换方式, 而且是半波输出, 效率较低, 约为20%左右。本项目设计的供电装置基于水动力学分析基础, 具有变频变幅的振荡浮子式吸收装置, 具有与吸收装置最匹配的安全、 可靠、 稳定转换装置, 实现全波输出, 从而获得转换效率的极大突破。
②实现波浪能稳定持续长时间地为离岸海洋观测设备供电。
波浪能高度不稳定导致电能输出不稳定, 为稳定持续地为海洋观测设备提供电力, 需要对转化后的电能进行后处理。电能质量测控系统持续在线监测海浪能发电系统各种参数并实现故障预测与部分自修复功能, 根据检测结果适时逆变切换; 经过对储能装置进行合理地充放电, 使海床基海洋等离岸海洋观测设备免维护周期延长为原来的5倍以上, 考虑到中国在制造成本上的优势, 发展外向型的波能利用行业大有可为。
六、 项目组织管理
1、 项目实施组织管理( 项目组织实施方式及组织管理措施)
主要以现有的海洋工程研究所为平台来统一组织, 并实施项目。海洋工程研究所设立所长一名, 副所长三名。下设海洋新能源研究室、 海洋测控技术研究室、 海洋装备设计研究室、 海洋装备制造研究室、 海洋功能材料研究室和海洋工程系统分析与优化研究室, 每个研究室设立正副主任各一名, 负责项目的日常组织实施。召集项目组成员每月召开一次学术研讨会, 统一思想, 集中资源, 推进研究目标的实施, 指导下月研究重点。具体措施如下:
(1)建立激励机制, 调动科研人员积极性
所内大多数科研人员一边从事科研一边从事教学, 没有过多地自由参与其它部门的科研活动。经过制度设计, 让科研人员成为独立于专业甚至学科之外的独立体, 不但能够自己进行一些基础研究, 也能够主动或被聘请参加一些本部门或外部门的科研活动。
有效的激励机制能激发研究者的内在动力, 显著提高研究成果的完成率、 课题立项产出率等。我们要本着尊重科学、 鼓励创新的根本原则, 结合本校实际, 从目标激励、 管理激励、 协作激励、 竞争激励、 团队激励等方面设置全面的激励措施, 适当加大奖励力度。同时, 要充分考虑到知识分子的职业特点、 文化心理, 采取多种手段进行奖励, 不但重视物质奖励, 更要注重精神奖励。
(2)改革项目投入与产出的导向
提倡做连续支持的项目, 要形成集体攻关项目。着力培养优秀的科研人才, 经过优秀的科研项目培育优秀的科研队伍, 为优秀成果的生产奠定基础。严把课题鉴定关, 既要控制优秀率, 又要鼓励做出精品力作的优秀科研人员, 实