ICSXX.XXX.XX

CCSXXX

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/QMEXXXX-2024

波浪能裝置海上性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

TechnicalStandardsforOffshorePerformanceTestingand

EvaluationofWaveEnergyDevices

(征求意見(jiàn)稿)

2024-XX-XX發(fā)布2024-XX-XX實(shí)施

青島市機(jī)械電子工程學(xué)會(huì)發(fā)布

T/QMEXXXX-2024

波浪能裝置海上性能測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1范圍

本文件主要針對(duì)投放于外海測(cè)試場(chǎng)的漂浮式波浪能裝置（懸鏈?zhǔn)藉^泊或張緊式錨泊）與底鉸鏈錨固

的波浪能裝置，不適用于封閉式的波浪水池或海灣。

本文件建議針對(duì)擬定型的波浪能裝置使用，并采用推薦方法獲得可靠的、充分的測(cè)試結(jié)果用以評(píng)估

裝置的工作性能。本文件也可針對(duì)原型或大比尺模型裝置開(kāi)展功能驗(yàn)證性測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

本文件使用過(guò)程中需參考下列國(guó)際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)：

——國(guó)際電工學(xué)會(huì)IEC60068-8換能器規(guī)范；

——國(guó)際電工學(xué)會(huì)IEC60044-1電流傳輸規(guī)范；

——國(guó)際電工規(guī)范IEC60044-2電壓傳輸規(guī)范。

3術(shù)語(yǔ)和定義

本文檔中將使用的術(shù)語(yǔ)、定義與符號(hào)如下。

3.1波浪能轉(zhuǎn)換裝置（系統(tǒng)）

利用風(fēng)生波浪動(dòng)力轉(zhuǎn)換生成電力并通過(guò)電纜傳輸至陸上電網(wǎng)的系統(tǒng)。

3.2波候波長(zhǎng)

投放海域水深下功率周期對(duì)應(yīng)的正弦波長(zhǎng)。

注1：該定義用以提供投放水深條件下的參考長(zhǎng)度；

注2：功率周期是指裝置投放海域波浪能譜最大能量范圍對(duì)應(yīng)的波浪周期。

3.3波浪能

水波中的時(shí)均能流。

3.4單向波能

通過(guò)平行于波能線單位長(zhǎng)度的時(shí)均能流。

3.5全向波能

通過(guò)單位直徑圓環(huán)的時(shí)均能流。

3.6單一方向波能

多向波浪場(chǎng)中各向波浪投影至某一方向上的時(shí)均能流。

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注1：該定義是指垂直于某投影方向單位寬度上的時(shí)均能流；

注2：能流密度的單位為千瓦/米，kW/m。

4符號(hào)

f：頻率

f：?jiǎn)挝辉隽炕蜷g隔

i：頻率或譜值編號(hào)（角標(biāo)）

：頻譜中對(duì)應(yīng)的第i個(gè)頻率的波幅譜密度

Si

Pi：頻譜中對(duì)應(yīng)的第i個(gè)頻率的能量譜密度

：波群速度

vg

：海水密度

g：重力加速度

，，，：歸一化諧波

A1B1A2B2

：均方向角

1：一次諧波的方向分布

：二次諧波的方向分布

2

：方向分布的偏斜度

：方向分布的峰度

s1：一次諧波分布標(biāo)號(hào)

：二次諧波分布標(biāo)號(hào)

s2

：n階譜矩

mn

Hs：有效波高

：0階譜矩波高

Hm0

：平均跨零周期

Tz

Te：能量周期

：譜寬參數(shù)

：能均譜寬參數(shù)

p

：全向波能

Pomni

Var(P)：波能方差

D：樣本時(shí)長(zhǎng)

：?jiǎn)蜗虿?/p>

Pnett

：能均方向角

UI：?jiǎn)蜗驑?biāo)號(hào)

：波能轉(zhuǎn)換裝置（系統(tǒng)）的電力輸出

PWECs

PSEA：外海波能（等于Pomni或Pnett）

5測(cè)試場(chǎng)

5.1總則

波浪的重要特征是隨機(jī)性，因此摒除測(cè)試場(chǎng)的時(shí)空分布特征對(duì)于合理選擇測(cè)試場(chǎng)具有重要意義。波

浪能裝置工作性能評(píng)價(jià)對(duì)場(chǎng)地的選擇不同于裝置投產(chǎn)階段追求個(gè)別的資源豐富地區(qū)。本章的主要內(nèi)容是

介紹如何識(shí)別測(cè)試場(chǎng)的波浪時(shí)空分布特征。

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波浪的空間分布特征中的水深通常小于四分之一倍的波長(zhǎng)，水平方向的尺度則要數(shù)倍于特征波長(zhǎng)。

波浪的時(shí)間分布特征則與潮流有關(guān)。潮流會(huì)通過(guò)影響能量傳遞率進(jìn)而改變波浪群速。潮流還可能影

響波浪的繞射并帶來(lái)其空間分布的變化。上述影響需在流速達(dá)到特征波群速的10%以上時(shí)予以考慮。上

述速度值多在潮汐變化周期內(nèi)的特定時(shí)刻出現(xiàn)，其總體影響可增加預(yù)測(cè)的不確定性。

5.2初始選址

5.2.1概述

選址應(yīng)對(duì)備選地點(diǎn)進(jìn)行初步評(píng)估。備選場(chǎng)址首先在常浪向無(wú)明顯遮擋，深水場(chǎng)址與淺水場(chǎng)址的選擇

將在5.2.2與5.2.3中描述。

一旦初步評(píng)估確定了備選場(chǎng)址，后續(xù)需詳細(xì)調(diào)查工作將在本章中詳述。

5.2.2備選深水場(chǎng)址

深水場(chǎng)址應(yīng)具備懸鏈?zhǔn)交驈埩κ藉^定泊位，其水深通常不大于特征波長(zhǎng)的1.5倍。海底地形應(yīng)平坦

為宜，不應(yīng)包含使波浪產(chǎn)生聚集或分散的突變地形。測(cè)試場(chǎng)范圍內(nèi)的流速應(yīng)一致且不宜大于2m/s。

注：深水場(chǎng)址折射現(xiàn)象相對(duì)不明顯，因此在此條件下的測(cè)試結(jié)果具備較高的可信度。

5.2.3備選淺水場(chǎng)址

淺水場(chǎng)址通常服務(wù)于采用底鉸鏈?zhǔn)交蚨虖埩﹀^型式的淺水波浪能轉(zhuǎn)換裝置。水深通常小于特征波長(zhǎng)

的四分之一。測(cè)試場(chǎng)應(yīng)位于淺水區(qū)、地形坡降規(guī)則，應(yīng)包含使波浪產(chǎn)生聚集或分散的突變地形。

對(duì)于沿岸線布置的波浪能裝置，其工作性能的評(píng)價(jià)較為困難。建議采用數(shù)學(xué)模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合

的方法開(kāi)展相關(guān)資源的評(píng)估。

注：淺水區(qū)的波浪更容易受到折射現(xiàn)象的影響。若海底地形自岸向海中均勻坡降，相關(guān)預(yù)測(cè)將較為準(zhǔn)確易行。例如，

與波浪能裝置相同水深處的觀測(cè)數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用于相關(guān)計(jì)算評(píng)估，深水區(qū)的波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)則需要進(jìn)行修正，簡(jiǎn)

單地形的修正可得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

5.3水深測(cè)量

測(cè)試場(chǎng)區(qū)域的水深應(yīng)開(kāi)展測(cè)量工作。測(cè)量范圍應(yīng)略大于備選場(chǎng)址范圍，以用于開(kāi)展波浪與潮流模型

的網(wǎng)格繪制工作。

注：測(cè)量范圍與網(wǎng)格劃分與數(shù)學(xué)模型有關(guān)。網(wǎng)格應(yīng)在各個(gè)方向上均擴(kuò)展5公里范圍，且至少距岸5公里。對(duì)于波浪折

射模型，網(wǎng)格應(yīng)適應(yīng)地形與范圍的突變。對(duì)于衍射模型，網(wǎng)格間距應(yīng)數(shù)倍小于波長(zhǎng)，波浪模型的網(wǎng)格宜適用于

潮流模型。

5.4海流測(cè)量

海流測(cè)量應(yīng)在備選場(chǎng)址內(nèi)不少于一個(gè)點(diǎn)位開(kāi)展。測(cè)量時(shí)間不少于30天。采樣應(yīng)至少覆蓋水體上升的

半個(gè)周期。對(duì)于構(gòu)建數(shù)學(xué)模型而言，采樣應(yīng)盡量覆蓋盡可能大的范圍。通過(guò)分析可得潮流與余流的相關(guān)

信息。

5.5潮高測(cè)量

潮高測(cè)量應(yīng)在備選場(chǎng)址開(kāi)展，測(cè)量時(shí)間不少于30天。通過(guò)分析可得潮流與余流的變化信息。

5.6海流數(shù)學(xué)模型

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為了更好的了解海流的空間分布特征，建議構(gòu)建或使用計(jì)算機(jī)模擬數(shù)學(xué)模型。在潮流主導(dǎo)的水域，

應(yīng)采用潮流數(shù)學(xué)模型。對(duì)于其他海流影響明顯的海區(qū)，上述影響應(yīng)在數(shù)學(xué)模型中考慮。

5.7波浪模型

5.7.1概述

波浪數(shù)學(xué)模型應(yīng)至少具備模擬以下物理過(guò)程的功能：

——海島或其他陸域掩護(hù)；

——水深地形變化引起的折射；

——岸灘反射與海島或其他陸域反射；

——底摩阻；

——波流相互作用（包括海流引起的折射）；

——波浪破碎與白帽。

輸入的波浪條件取決于波浪譜與海流型式，取值范圍如5.7.2至5.7.6所述。

5.7.2波譜

波譜應(yīng)采用公認(rèn)的半經(jīng)驗(yàn)公式，如PM譜或JONSWAP譜。單峰的譜形式可用于本文檔中所涉及的方向

譜與頻譜，應(yīng)充分考量方向分布函數(shù)等相關(guān)譜參數(shù)或參考相關(guān)規(guī)范。

5.7.3波周期

功率周期取值時(shí)應(yīng)考慮如下要點(diǎn)：

——相關(guān)海域能量矩陣中能量最大的區(qū)域；

——對(duì)于長(zhǎng)期工況，則應(yīng)考慮累計(jì)頻率大于95%的情況。

注：長(zhǎng)期工況可用于檢查波浪折射的影響，若確實(shí)存在上述影響，則應(yīng)考慮較短的周期值。

5.7.4波高

波高取值時(shí)應(yīng)考慮如下要點(diǎn)：

——相關(guān)海域能量矩陣中能量最大的區(qū)域；

——對(duì)于長(zhǎng)期工況，則應(yīng)考慮功率周期累計(jì)頻率大于95%的情況。

5.7.5波向

有代表性的波浪方向均應(yīng)考慮。

5.7.6海流

海流影響應(yīng)考慮如下幾種情況：

——無(wú)海流狀況（平潮）；

——大潮平均高潮的最大落潮流速；

——大潮平均高潮的最大漲潮流速；

——含有無(wú)潮點(diǎn)的區(qū)域。

5.8投放前的波浪觀測(cè)

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對(duì)于淺水區(qū)的底鉸鏈型波浪能裝置而言，摸清裝置投放區(qū)域的波浪條件較為困難。因此，投放前應(yīng)

在投放點(diǎn)開(kāi)展波浪觀測(cè)以便于驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。上述驗(yàn)證工作可通過(guò)測(cè)波點(diǎn)與投放位置的比較進(jìn)

行，并藉此獲得能量傳遞函數(shù)。建議觀測(cè)工作在冬季展開(kāi)。

5.9場(chǎng)址調(diào)查的后續(xù)工作

5.9.1深水區(qū)轉(zhuǎn)移

深水區(qū)測(cè)試場(chǎng)的水深通常應(yīng)大于四分之一倍波長(zhǎng)。若波浪模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示測(cè)試場(chǎng)附近的波浪場(chǎng)具

有較為明顯的時(shí)空特征變化，則應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

5.9.2淺水區(qū)轉(zhuǎn)移

該節(jié)內(nèi)容適用于底鉸鏈?zhǔn)交驈埦o式裝置錨固系統(tǒng)，所處水深小于特征波長(zhǎng)的四分之一倍。由于該類(lèi)

裝置的投放海域的波浪能資源較難評(píng)估，因此通常要求測(cè)試地點(diǎn)遠(yuǎn)離裝置數(shù)百米。若5.7節(jié)或5.8節(jié)的數(shù)

學(xué)模型預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)明顯的折射、反射等現(xiàn)象導(dǎo)致能量變化超過(guò)5%，則應(yīng)對(duì)水深進(jìn)行相應(yīng)修正。

6測(cè)量—總則

6.1概述

工作性能評(píng)估應(yīng)包括波浪場(chǎng)的能量樣本與裝置電力輸出結(jié)果的評(píng)價(jià)。本章將給出開(kāi)展上述工作的基

本規(guī)則，具體的裝置能量與波浪能量評(píng)估方法將在第7、8章中給出。

6.2比較方法

6.2.1概述

波浪能裝置與波浪觀測(cè)設(shè)備應(yīng)置于無(wú)明顯波能分布變化及海流影響的區(qū)域。裝置與設(shè)備均應(yīng)置于相

同的水域，但受波浪傳播隨機(jī)性的影響，在對(duì)兩組隨機(jī)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行比較時(shí)應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理（詳見(jiàn)第

8,10章）。

6.2.2測(cè)試時(shí)長(zhǎng)

性能評(píng)價(jià)測(cè)試的時(shí)長(zhǎng)較難給出，主要應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：

——應(yīng)保證采集到足夠多的數(shù)據(jù)以構(gòu)建測(cè)試場(chǎng)海域的能量評(píng)估矩陣；

——除了顯著波高與功率周期外，測(cè)試過(guò)程可能會(huì)受到不同參數(shù)的影響；

——測(cè)試時(shí)長(zhǎng)應(yīng)保證覆蓋描述波浪能裝置工作時(shí)限的波高散布圖。

注1：采樣長(zhǎng)度樣本的方差估計(jì)在10.4條注中給出，數(shù)據(jù)增加后上述估計(jì)可被修正。

注2：除了顯著波高與功率周期外的裝置參數(shù)敏感性分析將在10.2條給出。

6.3樣本時(shí)長(zhǎng)與間隔

理論上每組樣本宜不小于1.5小時(shí)，相鄰樣本采樣開(kāi)始時(shí)間間隔宜為1小時(shí)。上述措施可保證統(tǒng)計(jì)的

準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)代表性，但需保證所采用數(shù)據(jù)均為有效可用的。

6.4同時(shí)性

波浪能裝置與環(huán)境波浪功率樣本重疊時(shí)長(zhǎng)不宜小于15分鐘。若按照上一節(jié)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，上述

要求易達(dá)到。若一組樣本出現(xiàn)缺失，則重疊時(shí)長(zhǎng)宜延長(zhǎng)至1小時(shí)以保證采集到足夠數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)。

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6.5數(shù)據(jù)記錄

6.5.1概述

數(shù)據(jù)記錄應(yīng)按月保存在相應(yīng)的文檔中。文檔應(yīng)包括一個(gè)文件頭與相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄（或無(wú)數(shù)據(jù)記錄）。

按月歸檔非強(qiáng)制性要求，但經(jīng)驗(yàn)表明采用該間隔較為方便。

文件頭信息應(yīng)包括波浪場(chǎng)與裝置數(shù)據(jù)的測(cè)量、處理與記錄細(xì)節(jié)。文檔應(yīng)便于理解且易于查詢(xún)檢索。

數(shù)據(jù)記錄應(yīng)從1小時(shí)時(shí)長(zhǎng)的波浪條件與裝置功率輸出數(shù)據(jù)樣本中獲得。

數(shù)據(jù)記錄應(yīng)標(biāo)記記錄開(kāi)始時(shí)間。

數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與處理時(shí)應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量檢查，相應(yīng)結(jié)果宜作質(zhì)量控制標(biāo)記。

數(shù)據(jù)記錄的標(biāo)稱(chēng)時(shí)刻序列宜列出。波浪場(chǎng)與裝置數(shù)據(jù)需按各自序列歸檔于最接近的標(biāo)稱(chēng)時(shí)刻。缺失

記錄應(yīng)根據(jù)大于1.5小時(shí)記錄時(shí)長(zhǎng)最臨近的數(shù)據(jù)記錄生成補(bǔ)充。

數(shù)據(jù)記錄宜采用ASCII碼格式。

裝置與波浪場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容分別在6.5.2與6.5.3條給出，并在第7、8章詳述。

6.5.2波浪能裝置數(shù)據(jù)

每組數(shù)據(jù)均應(yīng)包括以kW為單位的電力功率時(shí)間歷程測(cè)量值。若無(wú)，則應(yīng)根據(jù)相關(guān)變量進(jìn)行計(jì)算獲得。

平均、最大、最小功率與標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)計(jì)算并記錄。具體內(nèi)容詳見(jiàn)第7章。

6.5.3波浪場(chǎng)數(shù)據(jù)

每組數(shù)據(jù)的方向譜宜按照縱橫搖波浪浮標(biāo)或等效系統(tǒng)輸出格式記錄，如常浪向的頻率表。理想的頻

率表應(yīng)覆蓋0.04Hz至0.5Hz范圍，并可根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)的不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。部分系統(tǒng)的方向譜為矢量

波數(shù)的函數(shù)，該頻譜建議轉(zhuǎn)換為頻率表型式。

除方差譜外，以下變量還應(yīng)進(jìn)行記錄或計(jì)算：

——功率譜：?jiǎn)挝活l率功率出現(xiàn)頻率列表（單位：kW/m/Hz）。該數(shù)值可記錄于方向譜中；

——全向功率或總功率：按頻率統(tǒng)計(jì)的功率總和（單位：kW/m）；

——方向分解功率：按照方向統(tǒng)計(jì)的功率總和（單位：kW/m）；

——平均功率方向（由正北向記）；

——顯著波高、功率周期，0階譜矩周期。

具體內(nèi)容詳見(jiàn)第7章。

7波浪能裝置的功率輸出測(cè)量

7.1概述

波浪能裝置的功率輸出（包括系統(tǒng)輸出與輔助電機(jī)的功率輸出）應(yīng)以交流電網(wǎng)頻率形式，主要采用

的是平均功率輸出（包括均方差）的一小時(shí)時(shí)長(zhǎng)樣本。為了對(duì)裝置功率輸出開(kāi)展更為細(xì)致的研究，樣本

采集應(yīng)每24小時(shí)進(jìn)行一次。功率應(yīng)按照2Hz頻率處理，功率信號(hào)應(yīng)進(jìn)行濾波處理。除了平均與方差值外，

每小時(shí)樣本的最大與最小值也應(yīng)記錄在案。

7.2用于電力輸出的波浪能裝置定義

通常功率輸出的測(cè)量均在裝置輸出端進(jìn)行，但有些裝置的電力處理系統(tǒng)不在裝置內(nèi)部。上述電力處

理系統(tǒng)在進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)也應(yīng)定義為裝置的一部分。對(duì)于遙控式的功率轉(zhuǎn)換器，則應(yīng)視轉(zhuǎn)換器的輸出端

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為裝置的輸出端。由于電纜或其他部件引起的功率損失需進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整計(jì)算。進(jìn)行上述計(jì)算的方法則

應(yīng)在文件頭中進(jìn)行描述并輔以相應(yīng)的文檔說(shuō)明。

7.3儀器與率定

功率轉(zhuǎn)換器的測(cè)量精度應(yīng)等于或小于裝置裝機(jī)容量的5%。

電力變送器也應(yīng)等于或小于5%并應(yīng)進(jìn)行率定。率定工作應(yīng)滿足如下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求：

——國(guó)際電工學(xué)會(huì)IEC60068-8換能器規(guī)范；

——國(guó)際電工學(xué)會(huì)IEC60044-1電流傳輸規(guī)范；

——國(guó)際電工規(guī)范IEC60044-2電壓傳輸規(guī)范。

功率轉(zhuǎn)換器的工作范圍應(yīng)足以覆蓋所有正、負(fù)峰值。低電流會(huì)導(dǎo)致電流變送器輸出結(jié)果出現(xiàn)非線性

變化，因此需進(jìn)行正確的規(guī)定。

7.4波浪能裝置功率數(shù)據(jù)處理

1小時(shí)樣本記錄的裝置輸出功率的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)進(jìn)行計(jì)算與記錄。其他質(zhì)量控制數(shù)據(jù)也應(yīng)根據(jù)

需要進(jìn)行記錄。

8波浪觀測(cè)

8.1波浪場(chǎng)說(shuō)明

通常，波浪場(chǎng)可表征為由一組不同方向、頻率及相位的波列共同組成。每組波列均滿足線性波理論

與方程，而波浪場(chǎng)為高斯隨機(jī)過(guò)程。波浪可由方向譜描述，并提供波高的頻率與方向分布特征。方向譜

包含了波浪場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特征的所有內(nèi)容，包括能量的傳遞過(guò)程。時(shí)域分析對(duì)某些應(yīng)用非常重要，但對(duì)于功率

分析頻率分析更適用。

注：高斯模型被認(rèn)為是能夠較為成功重現(xiàn)波浪變化性的模型。該變化性是指在某點(diǎn)處觀察到的波浪可被視為由較大

的范圍內(nèi)生成并傳播的波浪隨機(jī)組成，上述波浪在此期間經(jīng)過(guò)持續(xù)的細(xì)小變化。由于上述研究基于連續(xù)的生成

條件，因此其自然條件下的變化性往往高于高斯模型。

因此，某組1000秒波浪觀測(cè)樣本將區(qū)別于下一組1000秒的樣本，而再下一組樣本則有可能與第一組

相似。據(jù)計(jì)算，30分鐘樣本的標(biāo)準(zhǔn)差約為平均值的10%，而1小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差則下降到7%，上述計(jì)算均通過(guò)

波譜理論計(jì)算公式獲得。其他通過(guò)連續(xù)記錄估計(jì)功率并直接計(jì)算變化性的方法并不適用，因?yàn)闃颖鹃L(zhǎng)度

不可能無(wú)限大以保證計(jì)算獲得準(zhǔn)確的功率。

樣本不僅有時(shí)間部分變化，空間分布變化也很明顯。裝置點(diǎn)處的波浪條件與同時(shí)刻的測(cè)波點(diǎn)處的波

浪一定不同，這對(duì)裝置工作性能評(píng)估非常重要。假設(shè)上述時(shí)空變化性等效，如波浪場(chǎng)的遍歷性特征，我

們?cè)瓌t上可量化裝置工作性能評(píng)估的準(zhǔn)確性。

8.2儀器布設(shè)

8.2.1概述

儀器應(yīng)與波浪能裝置足夠近以保證兩者所處區(qū)域的波候相同，但距離應(yīng)保證不受裝置折射或遮蔽效

應(yīng)影響。

8.2.2深水測(cè)試場(chǎng)

假設(shè)初始場(chǎng)址調(diào)查未發(fā)現(xiàn)明顯的波型變化，則儀器布設(shè)需滿足下述要求：

——儀器與裝置的水深應(yīng)相同；

7

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——儀器與裝置應(yīng)位于主要波向的同側(cè)，例如：裝置的側(cè)面或前面；

——裝置與儀器間夾角不應(yīng)大于20度。

注：對(duì)最小夾角的規(guī)定是關(guān)于兩方面要求的一個(gè)簡(jiǎn)潔表達(dá)：測(cè)波點(diǎn)與裝置間的最小距離與裝置最大水平方面角的要

求。

8.2.3淺水測(cè)試場(chǎng)

多數(shù)情況下淺水區(qū)的儀器應(yīng)布設(shè)至足夠水深以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。多數(shù)測(cè)波裝置的水深要求為10m，

但在5m的淺水區(qū)則會(huì)出現(xiàn)波浪破碎、反射、泥沙懸停及其他非線性影響。

當(dāng)裝置位于淺水區(qū)時(shí)，波浪的快速空間變形將會(huì)出現(xiàn)，因此需有效評(píng)估裝置與裝置投放前測(cè)波點(diǎn)之

間的波浪變化，需采用的功率傳遞函數(shù)應(yīng)按照5.7與5.8節(jié)計(jì)算。

8.2.4測(cè)波儀器數(shù)量

對(duì)于波浪能量均有貢獻(xiàn)的多個(gè)方向的波列，宜按需要布置多組測(cè)波儀器。

注：上述情況多出現(xiàn)在海島類(lèi)的測(cè)試場(chǎng)。

8.3儀器種類(lèi)

波浪觀測(cè)儀器主要功能是在單一位置進(jìn)行數(shù)月至數(shù)年的波浪觀測(cè)。因此，最合適的觀測(cè)儀器為固定

位置的類(lèi)型。該類(lèi)型可靠性高，可進(jìn)行在線數(shù)據(jù)記錄與自動(dòng)傳輸。

淺水區(qū)的準(zhǔn)確測(cè)試較有難度，波浪場(chǎng)極易受到反射影響且波浪易于破碎。此外，波向范圍較深水區(qū)

更小，因此在淺水區(qū)對(duì)儀器波向測(cè)量的要求較小。

注：最常用的儀器類(lèi)型為隨波性浮子。該類(lèi)浮子既可以是縱橫搖式浮子用以測(cè)量水面升沉與坡度，也可以為質(zhì)點(diǎn)跟

隨型浮子用以測(cè)量水面升沉與軌道運(yùn)動(dòng)。

另一類(lèi)固定式儀器為聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）。該類(lèi)儀器可用于短時(shí)觀測(cè)且適宜于淺水區(qū)應(yīng)

用（10m水深）。儀器多為底部固定式，采用向水面?zhèn)魉吐暷苊}沖的方式工作。聲能受到水中粒子（浮

游生物或泥沙粒子）作用發(fā)生散射后被儀器接收到。水體發(fā)生運(yùn)動(dòng)則回傳信號(hào)發(fā)生多普勒頻移，可用于

計(jì)算剖面流速。

遙感系統(tǒng)可用于近岸測(cè)試系統(tǒng)（近岸至離岸數(shù)公里），稱(chēng)為X波段雷達(dá)。該儀器可用于測(cè)量半平方

公里范圍內(nèi)的高解析度方向譜。

對(duì)于極淺水深，則宜采用壓力式傳感器。

8.4波浪浮標(biāo)錨固

波浪浮標(biāo)應(yīng)進(jìn)行錨固且可對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)，同時(shí)保證大浪條件下的生存性。對(duì)于深水區(qū)以及石

質(zhì)海底，特別是高流速區(qū)，浮子可能需要水下附體進(jìn)行輔助錨固。由于浮標(biāo)較為脆弱，因此需采取措施

進(jìn)行保護(hù)以保證浮子生存。保護(hù)措施應(yīng)包括投放標(biāo)記浮子并廣泛宣傳波浪浮標(biāo)的投放情況。

8.5儀器規(guī)格與率定

所有波浪測(cè)量?jī)x器均應(yīng)具有較高的準(zhǔn)確性及信號(hào)丟失率。儀器需具備可追溯的率定標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)應(yīng)主

要包括方向、水面坡度、位置位移與采樣頻率。

對(duì)于ADCP系統(tǒng)，測(cè)量單元深度與速度測(cè)量的準(zhǔn)確性都應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，這是由于儀器是全淹沒(méi)的，ADCP

的數(shù)據(jù)恢復(fù)方式需提前進(jìn)行考慮。

儀器的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)應(yīng)能夠提供方向譜數(shù)據(jù)，格式如8.6.3所示。

8.6波浪數(shù)據(jù)的分析與展示

8

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8.6.1概述

本節(jié)內(nèi)容主要列出在數(shù)據(jù)記錄中所需的信息，以便進(jìn)行工作性能評(píng)估。各變量的定義也將在本節(jié)給

出。

8.6.2樣本數(shù)據(jù)記錄的信息內(nèi)容

樣本應(yīng)按標(biāo)稱(chēng)時(shí)刻歸檔。當(dāng)某個(gè)標(biāo)稱(chēng)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的文檔缺失時(shí)，則應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)專(zhuān)門(mén)格式的“無(wú)數(shù)據(jù)”

文檔。

樣本數(shù)據(jù)記錄應(yīng)包含以下內(nèi)容：

——日期與時(shí)間標(biāo)識(shí)；

——深度，以m計(jì)。若潮差導(dǎo)致波浪群速增長(zhǎng)超過(guò)5%，則考慮潮差影響的實(shí)際深度作為測(cè)試場(chǎng)的

深度。除此之外，可采用平均水深。

——關(guān)于包含方向特征的方差譜與功率譜信息的頻率列表；

——數(shù)個(gè)可獲得的參數(shù)，包括功率、平均方向、波高與周期；

——質(zhì)量控制標(biāo)示。

注：關(guān)于譜數(shù)據(jù)與非譜數(shù)據(jù)：由于數(shù)據(jù)的基本處理與表述方法均是基于頻域范圍的，以保證所有數(shù)據(jù)均是可追溯的。

當(dāng)按頻率形式記錄時(shí)，即稱(chēng)為譜數(shù)據(jù)，否則為非譜數(shù)據(jù)。后續(xù)章節(jié)主要依據(jù)的為譜數(shù)據(jù)。

8.6.3譜數(shù)據(jù)

以下變量需進(jìn)行記錄。角標(biāo)i應(yīng)從1遍歷至N，N為譜預(yù)估的數(shù)量。

頻率：理論上頻率列表范圍應(yīng)從0.04Hz線性覆蓋至0.5Hz。頻率間隔通常不應(yīng)大于0.01Hz，但在

fi

譜峰與低頻區(qū)可適當(dāng)減小。若頻率間隔非線性，如指數(shù)分布，間隔應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以足夠精度滿足頻譜

組成部分分析的需要。

頻率間隔，頻譜估計(jì)中頻率的間隔。此外，文件頭中也應(yīng)包含相應(yīng)信息以保證頻譜估計(jì)中的頻

fi

率間隔計(jì)算。

方差譜，每組頻率均應(yīng)給出波浪幅值的方差密度，單位為m2/Hz。

Si

功率譜：

(1)

PigSivg(fi)..............................................................................

每組頻率對(duì)應(yīng)的功率（能流）以長(zhǎng)度與頻率表征的密度形式表示，單位為kW/m/Hz。

歸一化角諧波，不同變量方向分布傅里葉級(jí)數(shù)的復(fù)變角諧波應(yīng)按照每組頻率記錄。

(A1,B1,A2,B2)i

對(duì)于縱橫要波浪浮標(biāo)或等效系統(tǒng)則需進(jìn)行復(fù)變調(diào)諧。當(dāng)出現(xiàn)更多角諧波時(shí)，均應(yīng)記錄在案。

平均方向，按正北方向計(jì)的平均角度應(yīng)根據(jù)第一角諧波在各組頻率上給出：

(1)i

1ATAN2(B1,A1)(2)

注：ATAN2為第四角限的反正切計(jì)算符號(hào)。

方向性系數(shù)（與模型無(wú)關(guān)），一系列表征方向性分布的系數(shù)需被計(jì)算并用于報(bào)告。如下的中心諧波

系數(shù)按如下公式定義，但無(wú)需記錄：

22(2)

M1C1A1B1...........................................................................

AA2B22ABB

211112.................................................................(3)

M222

A1B1

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BA2B22AAB

211122.................................................................(4)

N222

A1B1

方向分布（與模型無(wú)關(guān)），波譜的方向分布均方根角度，由第一諧波計(jì)算而得，應(yīng)按照頻率

(1)i

逐一計(jì)算記錄：

121M1..............................................................................(5)

方向分布（與模型無(wú)關(guān)），波譜的方向分布均方根角度，由第二諧波計(jì)算而得，應(yīng)按照頻率

(2)i

逐一計(jì)算記錄：

1

1M.............................................................................(6)

222

偏斜度（與模型無(wú)關(guān)），方向分布的偏斜度應(yīng)按照頻率逐一計(jì)算記錄：

i

22N

2(7)

3.............................................................................

2

1M2

峰度（與模型無(wú)關(guān)），方向分布的峰度應(yīng)按照頻率逐一計(jì)算記錄：

i

34MM

12(8)

2............................................................................

21M1

方向傳播系數(shù)，方向分布模型中根據(jù)第一諧波按如下公式計(jì)算：

(s1)i

DFscos2s1.....................................................................(9)

2

其中F為正則函數(shù)。方向傳播系數(shù)應(yīng)按照如下公式各頻率逐一計(jì)算：

C

1(10)

s1................................................................................

1C1

方向傳播系數(shù)，方向分布模型中根據(jù)第二諧波按如下公式計(jì)算：

(s2)i

13C114CC2

222(11)

s2.................................................................

1C2

其中，22。

C2A2B2

8.6.4非譜數(shù)據(jù)

如下變量需進(jìn)行記錄：

方差譜頻數(shù)矩，由至進(jìn)行計(jì)算：

mnn12

N

n(12)

mnsififi............................................................................

i1

顯著波高，由譜矩計(jì)算得：

Hs

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HH4m..........................................................................(13)

sm00

平均跨零周期，按如下公式計(jì)算：

Tz

m

0(14)

TzT0,2............................................................................

m2

能量周期，能量周期的定義按下式計(jì)算：

Te

m

1(15)

Te..................................................................................

m0

譜寬系數(shù)，譜寬系數(shù)按下式計(jì)算：

mm

02.............................................................................(16)

21

m1

譜寬系數(shù)（功率權(quán)重），按下式計(jì)算：

p

mm

11............................................................................(17)

p21

m0

該系數(shù)與相似，但由S/f計(jì)算得到。在深水區(qū)表征功率譜正則回轉(zhuǎn)半徑。

全向功率，頻譜中的全部功率，不考慮方向，計(jì)算可得全部頻率范圍內(nèi)的功率值：

Pomni

N

(18)

Pomnipifi.............................................................................

i1

波能方差Var(P)，全向波能的方差值應(yīng)按下式計(jì)算：

N

12(19)

VarPpifi........................................................................

Di1

分向波能，按照方向分解的波能，按下式計(jì)算：

Pnett

22(20)

PnettPNPE............................................................................

N

.........................................................................(21)

PNpiA1ifi

i1

N

.........................................................................(22)

PEpiB1ifi

i1

功率加權(quán)平均方向，功率加權(quán)的平均方向，按照方向分解功率加權(quán)的方向矢量，按下式計(jì)算：

p

(23)

pATAN2(PN,PE)(2)...................................................................

單向系數(shù)UI，單向性系數(shù)按下式計(jì)算：

P

UInett.................................................................................(24)

Pomni

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9氣象觀測(cè)

9.1概述

全套的氣象觀測(cè)不必開(kāi)展，但風(fēng)速與風(fēng)向的觀測(cè)對(duì)于開(kāi)敞環(huán)境下的陸基或近岸測(cè)試場(chǎng)還是有必要進(jìn)

行的。相關(guān)記錄應(yīng)根據(jù)測(cè)試場(chǎng)的運(yùn)行有計(jì)劃的進(jìn)行。

9.2風(fēng)速與風(fēng)向測(cè)量

9.2.1概述

氣象觀測(cè)將主要用于單一或陣列式波浪能裝置的工作性能后報(bào)評(píng)價(jià)中。上述工作常需要風(fēng)速風(fēng)向用

于包括涌浪在內(nèi)的海況分析。在測(cè)試階段，若能開(kāi)展風(fēng)速與風(fēng)向觀測(cè)也將是非常有幫助的。

9.2.2儀器選擇

風(fēng)速計(jì)與風(fēng)向標(biāo)應(yīng)能夠適應(yīng)海洋環(huán)境下的長(zhǎng)期運(yùn)行，并應(yīng)按照專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)制造與率定，可提

供電流/電壓輸出以供自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄之用。

9.2.3儀器安置

風(fēng)速計(jì)與風(fēng)向標(biāo)應(yīng)安裝在方圓300m內(nèi)無(wú)障礙的場(chǎng)地內(nèi)的桿頂。豎桿的高度按規(guī)范要求不宜小于10m。

若上述高度難以滿足，則不應(yīng)小于4m。儀器安置地點(diǎn)應(yīng)為近岸陸基。

若測(cè)試場(chǎng)滿足上述要求則在原址進(jìn)行安裝。若測(cè)試場(chǎng)離岸超過(guò)20km，則需采用浮子式漂浮式固定。

9.2.4數(shù)據(jù)記錄與處理

進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的目的是按小時(shí)間隔的時(shí)長(zhǎng)為1小時(shí)的平均風(fēng)速時(shí)間序列值，并配合波浪與裝置

數(shù)據(jù)測(cè)量。由于風(fēng)的間歇性，應(yīng)適當(dāng)?shù)臏p小采樣頻率。

建議采用10分鐘平均的風(fēng)速標(biāo)量與矢量值及風(fēng)向記錄模式，采集間隔為10分鐘。1小時(shí)數(shù)據(jù)可由上

述樣本計(jì)算獲得，單位采用m/s，方向自正北向計(jì)。

9.3溫度、壓力與濕度觀測(cè)

可根據(jù)裝置開(kāi)發(fā)者的要求進(jìn)行觀測(cè)。

10工作性能指標(biāo)的計(jì)算

10.1概述

本節(jié)給出的方法主要利用波浪功率與裝置輸出功率評(píng)估波浪能裝置的工作性能。

盡管波浪能仍處于產(chǎn)業(yè)化的前端，本規(guī)范主要針對(duì)采用不同技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的波浪能裝置。測(cè)

試的結(jié)果將提供技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的可信內(nèi)容。

10.2工作性能對(duì)參量的敏感性

由于外海實(shí)測(cè)操作的經(jīng)驗(yàn)較少，因此現(xiàn)有方法也處于摸索階段。由于外海的波浪功率主要取決于顯

著波高的平方與能量周期，因此現(xiàn)有方法也是基于上述兩者的。其他變量包括平均波向，方向分布、頻

譜寬度等對(duì)不同裝置工作性能的敏感度也有所不同。對(duì)于淺水區(qū)的底鉸鏈?zhǔn)窖b置，水深（潮流或其他長(zhǎng)

時(shí)變量）將變得非常重要。盡管如此，關(guān)聯(lián)上述變量與工作性能的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍太少。若有太多影響工作

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性能的變量，則上述關(guān)聯(lián)關(guān)系需進(jìn)行考察，相關(guān)信息可查閱第6、9章。開(kāi)展這項(xiàng)工作的目的是降低工作

性能評(píng)價(jià)中的不確定性。

10.3實(shí)測(cè)功率矩陣

該方法已成為展示裝置工作性能的通用方法：顯著波高與能量周期的雙變量直方圖，每個(gè)網(wǎng)格上均

包含在相關(guān)海況條件下的裝置平均輸出功率。與傳統(tǒng)表征方法比較起來(lái)，該方法可給出裝置在整個(gè)測(cè)試

期間整體的描述。建議網(wǎng)格按0.5m間隔劃分顯著波高、1.0s間隔劃分能量周期，也可根據(jù)當(dāng)?shù)夭ê蜻M(jìn)行

調(diào)整。

注：該方法一個(gè)不明顯的劣勢(shì)在于統(tǒng)計(jì)過(guò)程。由于海況的高度不確定性，海洋能裝置的功率輸出依賴(lài)于多個(gè)要素，

部分要素未知或了解不深，因此明確每個(gè)網(wǎng)格上的不確定性非常重要。但網(wǎng)格中的功率值分布變化卻不明顯，

這是由于他們的變化高度依賴(lài)顯著波高及（特別是）能量周期。每個(gè)網(wǎng)格上裝置輸出功率變化與波浪功率變化

基本是一致的。

另一個(gè)劣勢(shì)是波浪功率沒(méi)能展示出來(lái)。理想化的工作性能是在明確已知的波功率條件下所測(cè)量到的

裝置輸出功率。除了深水外，波功率并非顯著波高與能量周期的一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)，因此即使忽略上述可變

性，功率也難以被唯一定義。

10.4捕獲長(zhǎng)度

本文件中提到的工作性能為裝置功率輸出與波功率的比值。波功率的單位為kW/m，裝置輸出功率的

單位為kW，因此他們的比值為“長(zhǎng)度”，該比值也就被稱(chēng)為捕獲長(zhǎng)度，該比值沒(méi)有表征效率的含義或指

代裝置的任何尺寸，記作：

P

LWECs.................................................................................(25)

PSEA

由于該比值主要受到顯著波高與能量周期的制約，因此比值不會(huì)發(fā)生較為劇烈的變化。盡管比值的

定義明確，但其數(shù)值仍有可能發(fā)生波動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)誤差約為14%。因此有必要構(gòu)建另一個(gè)對(duì)應(yīng)的獨(dú)立矩陣以

表征該數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差。

注：L是由兩個(gè)隨機(jī)變量決定的比值。盡管其統(tǒng)計(jì)規(guī)律尚未明確且會(huì)隨著裝置的不同而發(fā)生變化，波功率為卡方分

布，也就是說(shuō)裝置輸出功率也為卡方分布的數(shù)值。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)裝置輸出功率為卡方分布，那么L也為

F分布，其平均值與變化率可表征為：

2

22

2

222122

2

12224

其中，v1,v2分別為裝置功率與波功率的自由度數(shù)。我們可通過(guò)計(jì)算功率的標(biāo)準(zhǔn)差，從波功率估計(jì)中獲得自由

度的影響。

11

222200