深海風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析*

姜 楠

（山東能源集團有限公司，濟南 250014）

深海風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析*

姜 楠?

（山東能源集團有限公司，濟南 250014）

海上風電從潮間帶和近海走向深海遠岸將是必然趨勢?，F(xiàn)有的機組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢必不能滿足新的環(huán)境要求。漂浮式基礎(chǔ)、整體安裝及自航自升式施工平臺極有可能成為未來海上風力發(fā)電的主流技術(shù)。北半球中緯度附近海域在發(fā)展深海風電方面具有獨特優(yōu)勢及迫切需求，我國需盡早進行規(guī)劃和部署相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)。

深海；風力發(fā)電；漂浮式基礎(chǔ)；安裝平臺

0 引 言

相較于陸上風力發(fā)電，海上風力發(fā)電具有不占用土地資源、風速高且穩(wěn)定、湍流強度小、視覺及噪聲污染小、靠近負荷中心等優(yōu)勢，近年來得到了許多國家的重視。德國、英國、丹麥等國家在發(fā)展海上風電方面走在了世界的前列，目前歐洲的裝機容量約占世界海上風電總裝機容量的90%，主要集中在北海、波羅的海和英吉利海峽等地[1,2]。

根據(jù)測算，距離海岸線越遠，風速越大，發(fā)電量增加越明顯，離岸10 km的海上風速通常比沿岸高約25%。另據(jù)統(tǒng)計，2010年歐洲已建成的海上風電場平均水深為17.4 m，離岸平均距離為27.1 km；2012年平均水深22 m，離岸平均距離29 km；而從目前正在建設(shè)、批準或規(guī)劃的項目來看，平均水深和離岸距離已分別達到了215 m和200 km[3,4]。因此，今后隨著潮間帶及近海區(qū)域風電資源的開發(fā)強度逐漸飽和以及沿海地區(qū)環(huán)境保護呼聲的日益強烈[5]，長遠來看，海上風力發(fā)電從潮間帶和近海走向深海遠岸將是必然趨勢。一般認為，離岸距離達到50 km或水深達到50 m的風電場即可稱為深海風電場[6]。在發(fā)展深海風電方面，歐洲繼續(xù)走在了世界的前列，世界上首個著床式深海風電場和首個漂浮式深海風電場分別在蘇格蘭和挪威建成運行[7,14]，但美國和日本已經(jīng)意識到其重要性并開始急起直追[8,9]。

1 技術(shù)現(xiàn)狀與分析

與近海相比，深海環(huán)境更加惡劣，存在著海流、波浪、潮汐、內(nèi)波等多種水文現(xiàn)象以及腐蝕、沖刷、淘空等長期理化作用，對風機基礎(chǔ)、海底電纜、海上平臺集成等技術(shù)無疑提出了更嚴苛的要求[10,11]。然而，與近海風電場相比，深海風電場的建設(shè)主要區(qū)別和難點更在于機組基礎(chǔ)型式和機組安裝方式兩個方面，因此需要重新評估和考慮。

1.1 基礎(chǔ)型式

基礎(chǔ)是風電機組賴以持續(xù)穩(wěn)定工作的平臺，是海上風電場的重要組成部分，對風電項目的運行質(zhì)量和投資效益影響較大，目前基礎(chǔ)的施工和運維費用約占海上風電總投資的15%～25%。

按照基礎(chǔ)是否與海床直接接觸，可將現(xiàn)有的海上風電基礎(chǔ)分為著床式和漂浮式兩種結(jié)構(gòu)形式，或稱為固基和浮基。其中，著床式基礎(chǔ)與陸上風電類似，通過鋼樁、沉箱、網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)將塔筒固定于海床上，該基礎(chǔ)適用于近海區(qū)域（水深小于50 m），已被大量應用于目前已建成的海上風電場，技術(shù)成熟，經(jīng)驗豐富。而漂浮式基礎(chǔ)的概念來源于深海油氣開發(fā)平臺，是指塔筒不與海床直接接觸，而通過錨索或纜繩將其與海底相連，使風電機組可在某一相對固定區(qū)域內(nèi)自由移動，該類基礎(chǔ)目前主要處于研發(fā)和示范階段，但對海洋環(huán)境的適應性較強，與著床式基礎(chǔ)相比施工難度較小、運維成本低，因此在發(fā)展深海風電方面具有良好的應用前景。

漂浮式基礎(chǔ)主要包括四種類型，分別是單柱式平臺、張力腿平臺、駁船型平臺和半潛式平臺。其中，單柱式平臺又稱Spar平臺（如圖1a所示），即利用固定在浮力罐中心底部的配重（壓倉物）來實現(xiàn)塔筒平臺的穩(wěn)定，在系泊系統(tǒng)和主體浮力控制下，具有良好的動力穩(wěn)定性[12]。張力腿平臺（Tension Leg Platform,TLP）利用系纜張力實現(xiàn)平臺的穩(wěn)定性，即通過處于拉伸狀態(tài)的張力腿將塔筒平臺與海底連接，從而抑制平臺垂直方向上的運動而實現(xiàn)水平方向上的相對運動[13]，如圖1b所示。駁船型平臺結(jié)構(gòu)最為簡單（如圖1c所示），它利用大平面的重力扶正力矩使整個平臺保證穩(wěn)定，其原理與一般船舶無異。半潛式平臺主要由立柱、桁架、壓水板和固定纜繩構(gòu)成，其設(shè)計靈活，是一種吃水較淺的改進型張力腿平臺[14]，如圖1d所示。表1列出了4種主要漂浮式基礎(chǔ)的基本性能對比情況。

圖1 漂浮式基礎(chǔ)的4種型式Fig. 1 4 types of floating foundation

表1 漂浮式基礎(chǔ)主要形式對比Table 1 Comparison of 4 floating foundations

上述4種平臺均已在海洋油氣開發(fā)中得到了大量應用和充分驗證，近年來陸續(xù)被提出應用于深海風電開發(fā)中并進行了研究和論證。2009年，世界首個海上漂浮式風力發(fā)電站“Hywind”在挪威海岸附近的北海正式投運，采用的就是Spar浮體結(jié)構(gòu)[18]，2013年在日本長崎海域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化運行，單機容量2 MW，由日立公司開發(fā)，項目名稱為“HAENKAZE”。而2011年葡萄牙電力公司建成的“Wind Float”MW級漂浮式海上風電機組則采用了半潛式平臺結(jié)構(gòu)，由美國Principle Power公司開發(fā)，單機規(guī)模6 MW，正處于示范階段。此外，還有一些漂浮式基礎(chǔ)概念結(jié)構(gòu)處于設(shè)計和試驗階段，比如Sea Twirl、SWAY、Blue H和Poseidon等[3]。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，這些浮體結(jié)構(gòu)基本上都是在上述4種平臺基礎(chǔ)上的改進或綜合。

1.2 機組安裝

由于海上氣候惡劣，有效作業(yè)時間短，所以機組安裝是整個海上風電場建設(shè)過程中施工難度最高和風險最大的環(huán)節(jié)[19]，直接決定了整個項目的成敗。機組安裝技術(shù)包括安裝平臺和安裝方式兩個部分。目前大部分海上風電機組的運輸、吊裝、維修主要依托于現(xiàn)有的船舶平臺進行。隨著離岸距離越來越遠及機組功率越來越大，近年來已陸續(xù)出現(xiàn)新建或改裝的專業(yè)化海上風機吊裝平臺[20]，主要包括傳統(tǒng)起重船（自航非自升）、起重安裝平臺（自升非自航）和自航自升起重船3種類型[21]。其中，自航自升船既可在海上自由航行，又可在目標區(qū)域自由升降，是運輸和安裝海上風電機組的理想船型，英國2004年開發(fā)的世界上第一艘專門用于安裝海上風機“五月花”號就是這種船型[22]。

海上風電機組的安裝主要包括兩種方式：分體安裝和整體安裝。分體安裝是指在目標海域按照基礎(chǔ)→塔筒→機艙→葉片的順序依次將機組的各主要部件裝配成一個整體，這種施工方法與陸上風電場類似，適用于潮間帶及近海區(qū)域，目前運行的多數(shù)風電場均按該方法建造；而整體安裝則是在岸邊將機組各部件裝配成一個整體，豎直放置于運輸船運送并安放至目標地點，以減少海況對裝配精度的影響，作業(yè)費用較低，這種施工方法是近年發(fā)展起來的，也已有成功案例[23-24]。

對適用于深海區(qū)域的漂浮式基礎(chǔ)風電機組，應根據(jù)具體的基礎(chǔ)型式選擇安裝技術(shù)。其中，單柱式平臺基礎(chǔ)的機組應首選整體安裝，裝配完成后由起重船運送并放置于目標地點；張力腿平臺基礎(chǔ)的風電機組可在目標地點將基礎(chǔ)平臺固定后，由自航自升船進行分體安裝塔筒、機艙及葉片；而駁船型和半潛式平臺基礎(chǔ)的風電機組則可在岸邊進行整體安裝，后由拖船將其整體拖曳至目標地點。

根據(jù)以上對風電機組基礎(chǔ)型式及機組安裝技術(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)目前深海風力發(fā)電技術(shù)已初步具備了技術(shù)可行性，將來通過借鑒海洋油氣開發(fā)及船舶工程經(jīng)驗，其技術(shù)成熟度和可行性將進一步提高。

2 發(fā)展重點及技術(shù)建議

研究表明，全球大部分海域單位面積的風能儲量在2×103(kW·h)/m2，屬于風能資源的富集區(qū)。據(jù)估算，全球海深60～900 m區(qū)域風電機組裝機容量約為17.4×108kW，因此深海風力發(fā)電潛力巨大[25]。根據(jù)全球海域風能資源分析可知，南北半球西風帶資源最為豐富但破壞性天氣頻發(fā)（如我國南海地區(qū)），赤道附近和兩極海域風能資源較為貧乏，對比發(fā)現(xiàn)，適宜開發(fā)海上風電的區(qū)域主要分布在南北半球中緯度附近海域[26-27]。

結(jié)合經(jīng)濟發(fā)達程度、能源需求量及風能資源情況來看，未來一段時期可能重點發(fā)展深海風電的區(qū)域包括[28]：（1）歐洲大西洋沿岸以及冰島沿海，包括北海、波羅的海、地中海、比斯開灣等海域；（2）北美洲東西海岸沿海，包括哈德森灣、墨西哥灣、圣羅倫斯灣及美國西海岸等海域；（3）東北亞地區(qū)沿海，包括渤海、黃海、日本海等海域。上述海域風能資源豐富，平均風速約在8～9 m/s左右，沿岸聚集了英國、德國、法國、美國、日本等發(fā)達經(jīng)濟體以及中國、俄羅斯、韓國、墨西哥等新興經(jīng)濟體，電力需求量大，且遠離臺風等破壞性天氣多發(fā)區(qū)域[29]，因而應當是發(fā)展深海風電的理想地區(qū)。

基于發(fā)展深海風電的可行性和必要性，我國應提前謀劃，加大工作力度，采取有力措施，推動深海風力發(fā)電技術(shù)的實用化和規(guī)?；l(fā)展。主要包括：

（1）啟動深海區(qū)域風能資源探測和海床地質(zhì)條件勘測工作，提前規(guī)劃渤海和黃海海域深海風電場發(fā)展布局及輸電線路走向；

（2）部署開發(fā)適應深海地理氣候環(huán)境特點（如抗海冰、抗臺風、抗鹽霧等）的風電機組[30]，并積極進行示范和實證；

（3）進一步驗證和對比4種漂浮式基礎(chǔ)的經(jīng)濟性和實用性，積累深海風電機組的運輸、施工、吊裝、維護和運行經(jīng)驗，逐步形成標準規(guī)范；

（4）以當前海洋工程裝備為基礎(chǔ)，進一步開發(fā)集運輸和吊裝功能于一體的船舶平臺，同時培育專業(yè)化施工運維服務公司；

（5）積極參與國際合作，共同開發(fā)深海風電機組與深海風電場，同時形成自主知識產(chǎn)權(quán)。

3 結(jié) 論

隨著能源需求的逐步增加及近海風能資源的漸次減少，深海區(qū)域必將成為風力發(fā)電技術(shù)的主戰(zhàn)場。從目前開發(fā)趨勢來看，未來幾年海上風電場的離岸距離將增加到50 km以上，因此現(xiàn)有的機組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢必不能滿足新的環(huán)境要求。漂浮式基礎(chǔ)、整體安裝及自航自升式施工平臺極有可能成為未來的主流技術(shù)。北半球中緯度附近海域在發(fā)展深海風電方面具有獨特的優(yōu)勢及迫切的需求，我國需盡早進行規(guī)劃和部署。

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Analysis on Status and Prospect of Wind Power Generation in Deep Sea

JIANG Nan
(ShanDong Energy Group CO.,LTD.,Jinan 250014,China)

It is an inexorable trend that offshore wind farm be constructed in deep sea in future. The existing installing technology and foundation can’t meet the new need of deep sea environment. Some new technologies will be the mainstream,including floating foundation,integral installation,self-propelled and self-elevating ship and so on. The sea near to middle-latitude zone in the northern hemisphere has unique advantages and active demand to develop wind power generation in deep sea. We need to draw up a plan to develop wind farm projects and technologies as early as possible.

deep sea；wind power generation；floating foundation；operation platform

TK89

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.004

2095-560X（2015）01-0021-04

姜 楠（1980-），男，博士，副研究員，主要從事可再生能源的研究和開發(fā)。

2014-08-01

2014-09-25

? 通信作者：姜 楠，E-mail：1846117315@qq.com