國內(nèi)海上風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)化與認(rèn)證發(fā)展探討[1]

文/謝 張全成

根據(jù)我國《海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報告》，全國海岸帶面積資源遼闊，若按照10%的可利用率計算，近海風(fēng)電裝機總量可達(dá)2 000 GW。從歐洲海上風(fēng)電示范項目來看，海上風(fēng)力發(fā)電機組安裝在水深50 m以內(nèi)的近海區(qū)域，在技術(shù)上是可行的。因此，我國海上可開發(fā)的風(fēng)能資源潛力巨大。

根據(jù)海上風(fēng)能特點和不斷提升的風(fēng)電技術(shù)，國家將海上風(fēng)電列為后續(xù)新能源戰(zhàn)略的重要方向之一。根據(jù)已完成規(guī)劃的各省初步目標(biāo)，上海、江蘇、浙江、山東和福建等沿海省市的海上風(fēng)電規(guī)劃項目將在2015年以前裝機量達(dá)到10 GW，其中近海風(fēng)電6 GW，潮間帶風(fēng)電4 GW。2020年規(guī)劃裝機22.8 GW，其中近海17.7 GW，潮間帶5.1 GW，其他省份待定目標(biāo)為5 GW和10 GW。由于在陸上風(fēng)電的發(fā)展過程中，風(fēng)電產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題導(dǎo)致塔架倒塌、葉片折斷及風(fēng)機集中脫網(wǎng)等事故屢見不鮮，給國家和企業(yè)造成較大的經(jīng)濟損失，本文從海上風(fēng)能的特性以及國內(nèi)外相關(guān)認(rèn)證現(xiàn)狀的研究，探討如何通過提升風(fēng)電認(rèn)證水平，積極推動我國海上風(fēng)電行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

一、海上風(fēng)能資源

1.海上風(fēng)能顯著性特點

與陸地相比，海上風(fēng)能具有自身的顯著性特點：

①高度上的風(fēng)速梯度小。由于海面的粗糙度低于陸地，對風(fēng)的阻礙較小，導(dǎo)致高度上風(fēng)速梯度?。ㄒ妶D1）。

圖1 風(fēng)速與高度關(guān)系曲線

②風(fēng)湍流度較低。湍流度即風(fēng)速相對于其平均值的瞬時變化情況，湍流度低，說明風(fēng)速相對比較穩(wěn)定。

③整體風(fēng)速較高。由于海平面低粗糙度和障礙物少，故在300 m高度以下，近海風(fēng)速高于陸地，且由于沒有障礙物影響，因此渦流現(xiàn)象較少。

2.海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀分析

盡管海上風(fēng)力資源豐富，但由于風(fēng)電機組地面基礎(chǔ)建設(shè)、葉片和塔架等零部件的運輸安裝比較困難，同時對后續(xù)電力傳輸要求較高，故海上風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量一般較高。目前，世界上用于海上風(fēng)電的風(fēng)力發(fā)電機容量最大已經(jīng)達(dá)到6 MW，葉輪直徑可達(dá)127 m。據(jù)報道，國內(nèi)已有廠家開始設(shè)計8 MW～10 MW的風(fēng)力發(fā)電機，到2020年，我國海上風(fēng)機的單機容量將可能高達(dá)15 MW。如今，可用于海上風(fēng)電的發(fā)電機組形式主要是變速恒頻雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組和低速型永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組兩種。

從海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r來看，除單機容量不斷增加之外，還有其它幾個特征：

①由淺海到深海發(fā)展。淺海區(qū)域的風(fēng)電場具有安裝維護(hù)方便，成本較低等優(yōu)點，故早期的風(fēng)電場多選擇在淺海區(qū)域。隨著海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展以及淺海區(qū)域資源受限，海上風(fēng)電場向深海發(fā)展成為一種必然趨勢。

②液壓變槳和電氣變槳并存。電氣變槳不存在漏油現(xiàn)象，環(huán)境友好，隨著技術(shù)逐步成熟，市場份額將逐步增加。

③直驅(qū)系統(tǒng)份額增加。永磁同步電機不從電網(wǎng)吸收無功功率，也不需要滑環(huán)碳刷，結(jié)構(gòu)簡單，對于電網(wǎng)運行影響小，有助于改善電能質(zhì)量，更容易滿足并網(wǎng)相關(guān)要求。

④傳動系統(tǒng)設(shè)計不斷創(chuàng)新。從風(fēng)電的發(fā)展來看，直驅(qū)式和半直驅(qū)式傳動系統(tǒng)是今后的發(fā)展趨勢。

⑤葉片技術(shù)不斷改進(jìn)。對于2 MW以下的風(fēng)力發(fā)電機，通常通過增加塔筒高度和葉片長度來提高風(fēng)能利用率，但對于特大型風(fēng)力發(fā)電機，這種作業(yè)模式會大大增加運輸和安裝成本。為此，需要優(yōu)化葉片的氣動特性，提高葉片的捕風(fēng)能力，降低噪音，改善風(fēng)機振動。由于特大型風(fēng)機葉片較長，運輸困難，分段式葉片的開發(fā)在理論上可較好地解決運輸問題，但需重點解決其兩段葉片連接處的剛性斷裂難題。在海上風(fēng)電發(fā)展中，兩葉片的風(fēng)力發(fā)電機因其葉片數(shù)量少，輪轂設(shè)計簡潔，運輸和吊裝的工作量減少等優(yōu)勢越來越受到關(guān)注。

二、海上風(fēng)電機組的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證

1.國外先進(jìn)經(jīng)驗

海上風(fēng)電認(rèn)證的依據(jù)是相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如今流行于國際上的海上風(fēng)電機組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 61400－3－2009《海上風(fēng)輪機設(shè)計要求》、《GL海上風(fēng)電指南》、《風(fēng)力發(fā)電丹麥建議書》、DNVOS－J101－2011《挪威船級社海上風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計要求》等。

IEC 61400－3－2009屬于IEC 61400風(fēng)電機組標(biāo)準(zhǔn)體系，其主要目的是為海上風(fēng)電機組設(shè)定一個適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)等級，保證海上風(fēng)力發(fā)電機的使用壽命。由于該標(biāo)準(zhǔn)沒有詳細(xì)規(guī)范機組的材料、結(jié)構(gòu)、機械組成、安全系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等方面的內(nèi)容，需要與其它IEC標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合使用。

《GL海上風(fēng)電指南》的目的在于為海上風(fēng)力發(fā)電機提供最先進(jìn)的設(shè)計要求，其涵蓋了載荷、材料、結(jié)構(gòu)、機械、回轉(zhuǎn)支撐、葉片、電氣、安全、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和認(rèn)證整個內(nèi)容。它的載荷安全要素與IEC 61400相一致，但內(nèi)容更詳實，更具有操作性。

《風(fēng)力發(fā)電丹麥建議書》用來規(guī)范海上風(fēng)力發(fā)電機載荷和基礎(chǔ)問題。另外，它還包括避雷、噪聲和環(huán)境影響評估等內(nèi)容，屬于丹麥風(fēng)力發(fā)電機型號批準(zhǔn)和認(rèn)證的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和DS 472－2007《風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)安全和載荷實施規(guī)范》的附件之一，在丹麥，該標(biāo)準(zhǔn)被強制執(zhí)行。DNV－OSJ101－2007重點強調(diào)了風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。

在全世界范圍內(nèi)，只有德國、丹麥和荷蘭3個國家對海上風(fēng)電要求進(jìn)行強制性認(rèn)證。近年來，許多國家也逐步認(rèn)識到風(fēng)電機組認(rèn)證的重要性，正在將風(fēng)電機組的認(rèn)證與政策支持進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用第三方認(rèn)證對項目的設(shè)計與實施、產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)進(jìn)行評估，其中就包括希臘、印度、西班牙、瑞典、美國和我國等。在國際上開展風(fēng)電認(rèn)證的第三方機構(gòu)很多，包括：GL WIND、TUV-SUD、Intertek天祥、TüV NORD、 DEWI和SGS等。

對于一個風(fēng)電場的項目認(rèn)證，一般包括以下步驟（見圖2）。

圖2 風(fēng)電場的項目認(rèn)證一般步驟

其中，型號認(rèn)證的步驟和內(nèi)容主要包括產(chǎn)品設(shè)計評估、生產(chǎn)安裝要求、質(zhì)量管理體系和樣機測試等，最后評估合格后，獲得型號認(rèn)證證書。

2.我國海上風(fēng)電認(rèn)證

與德國、丹麥和荷蘭等風(fēng)電發(fā)達(dá)國家相比，我國的海上風(fēng)電認(rèn)證存在較大的難度，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，海上風(fēng)電認(rèn)證缺少足夠的技術(shù)支持。這是由于海上風(fēng)電在國內(nèi)屬于新興產(chǎn)業(yè)，國外很多技術(shù)都有嚴(yán)格的保密措施，通過生產(chǎn)許可證方式進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)也無法獲得國外的核心技術(shù)。

其次，海上風(fēng)電技術(shù)不成熟，國內(nèi)尚缺少一整套關(guān)于海上風(fēng)電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，國內(nèi)進(jìn)行海上風(fēng)電項目的認(rèn)證還需要借鑒相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

再者，各家企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計具有其特殊性，加上海上風(fēng)電一些特殊問題至今尚未解決，不同地區(qū)的海洋環(huán)境又存在差異，故現(xiàn)有的國際標(biāo)準(zhǔn)也無法完全適用于我國的海上風(fēng)電發(fā)展。

此外，國內(nèi)當(dāng)今沒有一家專業(yè)的第三方海上風(fēng)電質(zhì)檢機構(gòu)，海上風(fēng)電的認(rèn)證結(jié)論也缺少足夠的檢測數(shù)據(jù)。

由于以上因素的綜合影響，國內(nèi)的海上風(fēng)電項目認(rèn)證無法真正深入開展，包括葉片等關(guān)鍵零部件的檢測也多止步于靜態(tài)檢測。在此情況下，經(jīng)過認(rèn)證的風(fēng)電項目也存在很多質(zhì)量隱患。在陸上風(fēng)電的發(fā)展過程中，產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題導(dǎo)致塔架倒塌、葉片折斷及風(fēng)機集中脫網(wǎng)等事故（見圖3）屢見不鮮，給國家和企業(yè)造成較大的經(jīng)濟損失，因此，產(chǎn)業(yè)監(jiān)管和產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證水平急待提升。

圖3 風(fēng)電機組事故照片

三、我國海上風(fēng)電認(rèn)證發(fā)展建議

隨著海上風(fēng)能資源的進(jìn)一步挖掘，技術(shù)的不斷完善，海上風(fēng)電將成為我國后續(xù)風(fēng)電業(yè)的重要增長點。但由于國內(nèi)海上風(fēng)電的認(rèn)證檢測目前缺少足夠的試驗數(shù)據(jù)支持，限制了國內(nèi)海上風(fēng)電認(rèn)證的深入開展。參與國際認(rèn)證檢測項目的開展，則需要引進(jìn)相關(guān)的高精度檢測設(shè)備，如高精度低電壓穿越檢測設(shè)備。近期，中國電力科學(xué)研究院等單位正在展開制造相關(guān)專業(yè)檢測設(shè)備的工作。我國需要大力發(fā)展建設(shè)第三方海上風(fēng)電專業(yè)質(zhì)檢機構(gòu)，為海上風(fēng)電機組整機和零部件認(rèn)證提供需要的檢測數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，同時深入開展海上風(fēng)電整機檢測技術(shù)研究，跟蹤比對國內(nèi)外的新型風(fēng)電機組發(fā)展動態(tài)，攻克檢測技術(shù)難關(guān)，以支持新型風(fēng)電機組研發(fā)。

國際相關(guān)海上風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)對于我國海上風(fēng)電認(rèn)證發(fā)展可以起到一定借鑒作用，但由于海洋的土壤、潮流、溫度、鹽分、風(fēng)速和渦流等特殊性，國際標(biāo)準(zhǔn)無法完全適應(yīng)我們的海洋風(fēng)電現(xiàn)狀。為此，國內(nèi)需要在廣泛開展實驗研究的基礎(chǔ)上，研究制定適合我國國情的海上風(fēng)電機組標(biāo)準(zhǔn)，為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和海上風(fēng)電認(rèn)證提供支撐。

在風(fēng)機的認(rèn)證過程中，國內(nèi)推行240 h認(rèn)證測試，其前提是需要一個可以為試驗機型提供真實試驗環(huán)境的實驗風(fēng)場。由于海上風(fēng)電試驗場需要較大的面積和輸配電配套設(shè)施，資金投入巨大，第三方認(rèn)證檢測機構(gòu)無法獨立完成風(fēng)電試驗場的投資建設(shè)，若國內(nèi)開展海上風(fēng)力發(fā)電機的認(rèn)證檢測則需依托于陸地試驗風(fēng)場或者企業(yè)的海上風(fēng)場進(jìn)行測試。所以，需要支持第三方檢測機構(gòu)參與國內(nèi)海上風(fēng)電場項目，依托風(fēng)電場建設(shè)海上風(fēng)電試驗場，為國內(nèi)海上風(fēng)電新機型的研發(fā)和服役機型的認(rèn)證檢測提供服務(wù)。

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[3]郭越,王占坤.中歐海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較[J].中外能源,2011(3):26-30.