海洋可再生能源专项资金项目实施计划方案

□工程示类
□产业化示类
■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.其他说明
（1）实施方案各项填报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
项目实施方案填报容
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） (10)
三、国外技术现状、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、项目主要容 (13)
1、总体目标及年度目标 (13)
2、主要工作容 (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 (21)
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 (23)
1、2011.8-2012.1 (23)
2、2012.2-2012.7 (23)
3、2012.8-2013.1 (23)
4、2013.2-2013.7 (24)
八、项目风险分析 (24)
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，通过自主创新或引进消化吸收再创新相结合的方式，在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，实施地点在和沿岸，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，通过船舶运送布放，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、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，通过船舶运送布放，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、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，与之间，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。

该海域湾还有海游、湖、沥洋、车岙、蟹钳等港。

湾海岸曲折，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。

目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，约为目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，我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通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。

本项目研究可以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。

通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
波浪能转换装置通常要经过三级转换：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，人们发明了振荡水柱式、浮子式、摆式、点头鸭式、筏式、蚌式等。

最早的波浪能发明专利是1799年法国人吉拉德父子获得的，他们尝试为一种可以附在漂浮船上的巨大杠杆申请了专利，它可以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发明。

1985年，英国在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2000kW；2000年，在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；2004年，在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。

2008年，“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2014年建成运行。

到目前为止，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。

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转换为电流，通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％。

虽然国外波浪能发电装置的研究与开发已取得了一定的成果，但是与太阳能、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，中国科学院能源研究所等单位，在利用海洋能供电技术方面进行了深入研究。

通过市教委重点项目等的支持，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。

目前，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。

离岸设备又无法通过电缆供电，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，可以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，该发电装置也可以轻易地扩展到其它应用领域, 为研究具有我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。

可以为近岸工程、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。

目前，在渤海区域布设8套海床基海洋环境自动监测站系统（—蓬莱一线四套，渤海布设四套）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。

我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。

近几年在我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
目前，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，可以用本项目开发成功的样机完全可以满足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，通过自主创新或引进消化吸收再创新相结合的方式，在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）2011年度目标：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）2012年度目标：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）2013年度目标：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、主要工作容
（1）通过产学研合作，研制出小型模块化波浪能模块化供电装置及系统。

基于目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。

通过现有系统设计筒壁膛线，改变导流筒水流方向，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，可以确保在恶劣海况下的正常工作。

另外，吸收装置主要是通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，通过数值仿真和优化，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，通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，将通过整流、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，并将指标参数通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。

通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（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，并采用弹力紧检测传感器和扭矩释放机构，通过实验测试其力并设置控制参数。

同时粗钢丝铠装电缆采用倒S形状与海床基进行连接，可以有效地防止被牵引。

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，通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、运行状态通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，通过遥测和遥控可以合理调配负荷，。