计入资本与功率约束的波浪能转换器阵列成本效益分析方法

《Journal of Ocean Engineering and Science》：A cost-benefit analysis method for wave energy converter array with capital and power constraints

　　

本研究探讨了波浪能转换器（WEC）阵列各成本组件在资本支出（CapEx）中所占比例随阵列规模的变化。通过数据拟合建立了一个成本效益分析模型，以装置结构成本（DSC）和WEC数量作为核心变量。结合WEC的数量及其功率输出，计算了在具有代表性的南海波浪条件下典型WEC阵列的经济效益。结果表明，波浪能发电的效益取决于功率输出（PTO）阻尼和装置结构成本。对于具有功率约束的预定WEC，具有大PTO阻尼和低结构成本的WEC能够实现经济盈利，而具有小PTO阻尼和结构成本的WEC则无法保证令人满意的资本回报。在资本支出约束条件下，可以利用平准化度电成本（LCOE）和净现值（NPV）反求出可行的WEC数量、结构成本以及所需的最低功率。阵列规模与WEC的最低需求功率之间存在反相关性。对于中小型阵列，这种功率需求迅速下降，随着阵列规模的进一步增加，其逐渐趋于平稳。

目前，相较于海上风电和太阳能等其他可再生能源，波浪能的平准化度电成本（LCOE，整个生命周期内平均每千瓦时的发电成本）明显偏高，这使其在商业化进程中面临巨大挑战。虽然扩大波浪能转换器（WEC，将波浪能转换为电能的装置）阵列的规模可以利用规模效应共享基础设施并促进水动力相互作用从而降低LCOE，但单靠数量扩张难以突破由单个装置设计参数决定成本下限的瓶颈。此外，现有的研究大多基于预设计的装置来评估成本效益，鲜有在成本约束下估算功率输出的研究。因此，开展这项研究对于在装置设计早期阶段评估投资回报和商业潜力具有重要意义。研究人员提出了一种计入资本与功率约束的WEC阵列成本效益分析方法，并得出结论：装置的结构成本和PTO（功率输出）阻尼的合理匹配是实现经济盈利的关键，且该方法可有效指导早期投资决策。该论文发表在《Journal of Ocean Engineering and Science》。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，基于Sandia国家实验室参考模型项目（RMP）的RM3振荡浮子WEC阵列成本分解数据，通过数据拟合分别建立了装置结构成本（DSC）、运维成本和退役成本占资本支出比例与WEC数量之间的函数映射模型；其次，引入净现值（NPV）、年发电量（AEP）和LCOE等关键经济指标，结合给定的折现率和电价，针对资本约束和预设计WEC两种场景构建经济性计算框架；在计算预设计WEC的水动力性能时，样本队列来源于中国南海西沙群岛海域的波浪统计特征数据，采用改进的JONSWAP谱模拟不规则波，通过仕高阶边界元法（HOBEM，一种基于线性势流理论求解水动力系数的方法）在频域内求解阵列的运动响应，并利用差分进化算法以PTO阻尼和浮子尺寸为关键变量进行装置参数优化以获取目标阵列样本。

**基于成本约束的功率估算**
研究人员将资本支出设定为限制条件，结合假定的折现率和电价，通过令NPV为零的迭代试错方法，计算出满足经济收益要求的WEC阵列年发电量及单台装置所需的最小时间平均功率。研究表明，随着阵列内WEC数量的增加，单台WEC所需的最小提取功率逐渐降低。在中小规模阵列阶段，功率需求呈现快速下降趋势；当阵列规模继续扩大时，功率需求曲线逐渐趋于平稳。同时，在固定的电价条件下，LCOE不得超过电价水平，否则项目将失去经济可行性。

**预设计WEC的成本分析**
研究人员基于优化设计后的12种WEC构型，分析了不同PTO阻尼和结构成本对项目内部收益率（IRR）和LCOE的影响。结果表明，在固定的LCOE条件下，扩大阵列规模可以提高IRR。然而，更重要的发现是，在PTO阻尼较大（如50 kNs/m）的条件下，具有最小结构成本的装置表现出最高的IRR，其经济优势甚至超过了单纯增加阵列中装置数量带来的收益。相反，在小PTO阻尼条件（如10 kNs/m）下，即使是结构成本最低的WEC也无法满足经济可行性要求。这主要是因为在小阻尼下，由于降低结构成本（减小浮子淹没体积）导致的功率输出下降幅度超过了结构成本节约带来的收益。

**模型应用的局限性**
研究人员指出，该方法主要适用于WEC阵列早期概念筛选阶段。模型拟合的成本比例数据仅来源于四种阵列规模的RM3数据，构成成本函数的基准缺乏统计学上的行业普适性。同时，结构成本估算简化了材料几何与制造因素，且功率计算高度依赖于南海特定的波浪气候统计，未能全面考虑波浪资源的年际变化等复杂不确定性。因此，在做出最终项目级投资决策前，必须结合具体装置参数和供应商真实报价更新模型。

**研究结论部分翻译**
本研究探讨了关键成本构成指标占资本支出比例随阵列规模的变化规律，提出了一种基于装置结构成本比例和WEC数量的创新性成本效益分析方法。该方法可用于在给定资本支出下将WEC功率估算作为设计约束，以及基于确定的WEC计算内部收益率和LCOE。开发商可以在设计初期便捷地判定其WEC技术是否具有商业可行性。对于受资本支出约束的项目，为实现高资本回报率或降低LCOE，有必要提高单台WEC的提取功率。中小规模阵列中WEC的最小功率约束相对较高，这对设备制造技术提出了更高要求。对于预设计的WEC，在LCOE固定的情况下，增加阵列规模可以改善资本回报率。若WEC数量保持不变，LCOE的增加与内部收益率的增加呈正相关，这意味着降低LCOE需要降低收益预期。适当的低结构成本与高PTO阻尼相匹配，可以提高WEC阵列的经济回报。在小PTO阻尼情况下，经济回报率显著下降，且结构成本最低的WEC反而具有最低的收益率，这与大PTO阻尼条件下的结果截然相反。这一现象主要归因于WEC功率输出的降幅超过了结构成本的降幅。因此，尽管WEC数量对提升内部收益率具有一定影响，但单台WEC的结构成本与功率输出才是增加资本回报的两个最为关键的因素。