海上風(fēng)電的發(fā)展與挑戰(zhàn)

樊天慧 陳超核

海上風(fēng)電存在著巨大的開發(fā)潛力，我國正處于近海規(guī)模化、深海試點化的關(guān)鍵階段，主要挑戰(zhàn)在于如何平衡技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性要求。隨著技術(shù)成熟與近海資源開發(fā)程度的加深，浮式風(fēng)機(jī)將是海上風(fēng)電發(fā)展的主要方向。

國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展概況

為應(yīng)對全球氣候變化和發(fā)展清潔能源，挪威、英國、丹麥、德國、美國、日本等國較早地研究、開發(fā)了海上風(fēng)電技術(shù)。

自從丹麥建設(shè)了世界上第一個商業(yè)化意義的海上風(fēng)電場，先進(jìn)的國家電網(wǎng)成為其大力發(fā)展風(fēng)電的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。得益于獨特的地理位置，英國在發(fā)展海上風(fēng)能一直處于全球領(lǐng)先地位，并不斷著力于加強對外合作及促進(jìn)本土產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。德國政府規(guī)劃到2030年全國用電量的65%來自于可再生能源，而發(fā)展海上風(fēng)電是未來德國能源轉(zhuǎn)型計劃的重要戰(zhàn)略組成部分。截至2018年年底，美國進(jìn)入規(guī)劃階段的海上風(fēng)電項目總計約25GW，發(fā)展可再生能源的速度明顯加快。日本政府選取11處海域作為未來海上風(fēng)電建設(shè)潛在場址，并有望在2020年初開展第一次海上風(fēng)電競標(biāo)。挪威目前雖然沒有海上風(fēng)電場，但在海工領(lǐng)域經(jīng)驗豐富，并在全球范圍內(nèi)涉足了大量海上風(fēng)電項目，包括應(yīng)用了浮式風(fēng)機(jī)的英國蘇格蘭Hywind風(fēng)電場。

我國陸上風(fēng)機(jī)技術(shù)較為成熟，但海上風(fēng)機(jī)起步較晚，尤其對浮式風(fēng)電技術(shù)研究較少。2006年，海上風(fēng)電被正式列入我國可再生能源板塊，但初期進(jìn)展緩慢;2010年東海大橋項目的投產(chǎn)實現(xiàn)了我國海上風(fēng)電零突破，此后，又進(jìn)一步開展了試驗示范。但至目前為止，我國尚無海上浮式風(fēng)電示范性工程項目和針對工業(yè)生產(chǎn)的專門研究和設(shè)計。

2018年，全球累計裝機(jī)容量為591GW，同比增長9%;全球新增裝機(jī)容量為51.3GW，同比下降4.0%，其中陸上裝機(jī)占91.2%，海上裝機(jī)占8.8%。2018年，我國（除港、澳、臺地區(qū)外）海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量約1.66GW，同比增長42.7%，累計裝機(jī)容量約4.45GW，成為新增裝機(jī)量最多國家。

對于一些最早發(fā)展海上風(fēng)電的國家，海上風(fēng)電已經(jīng)從當(dāng)初的數(shù)值分析和試驗驗證階段跨入了大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)階段，風(fēng)機(jī)機(jī)組不斷大型化，風(fēng)電的成本也在不斷下降。我國現(xiàn)有海上風(fēng)電場多由固定式風(fēng)機(jī)組成，浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)仍處于初級階段，主要面臨的挑戰(zhàn)在于提高可靠性和降低成本。

海上風(fēng)機(jī)主要型式

相比與陸上風(fēng)機(jī)，海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計、建造和運維難度更大。海上風(fēng)機(jī)正常作業(yè)時，對支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度要求更為嚴(yán)格，處于復(fù)雜海洋環(huán)境中的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不僅受到風(fēng)、浪、流、冰等載荷的影響，還會產(chǎn)生多種載荷的耦合作用，受成本和技術(shù)的限制，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的選型對海上風(fēng)電場的建設(shè)至關(guān)重要。

海上風(fēng)機(jī)主要分為固定式風(fēng)機(jī)和浮式風(fēng)機(jī)。固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)分為重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、沉箱基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。相對于固定式風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)適用于深遠(yuǎn)海，這意味著所處海域有更強勁、更穩(wěn)定的風(fēng)能，可發(fā)展更大規(guī)模的風(fēng)場，從而可降低發(fā)電成本。深海浮式風(fēng)機(jī)對人類活動的影響也較小。另外，浮式風(fēng)機(jī)的常規(guī)系泊系統(tǒng)適用大多數(shù)海床土壤情況，并且可以拆解，易于運輸、安裝。研究表明，水深大于50m時，浮式風(fēng)機(jī)更具經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

浮式風(fēng)機(jī)根據(jù)基礎(chǔ)型式的不同主要分為三種：Spar式、半潛式及TLP式，不同型式的風(fēng)機(jī)適應(yīng)水深和優(yōu)缺點也不同。Spar式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單且重量輕、垂蕩性能好，易于設(shè)計，但安裝水深受限（一般適用水深大于100m），需要使用重型浮吊等特種設(shè)備進(jìn)行海上作業(yè)，無法拖回港口修理。半潛式風(fēng)機(jī)安裝水深靈活，可在港口裝配后拖航，但結(jié)構(gòu)重量大且復(fù)雜、不易設(shè)計，一般需要配備昂貴的主動壓載系統(tǒng)。TLP式風(fēng)機(jī)安裝水深靈活、結(jié)構(gòu)重量輕、穩(wěn)定性好，可以在港口裝配后拖航，具有良好的垂蕩特性和搖擺運動特性，但錨泊系統(tǒng)載荷很大且安裝費用很高，需使用特殊設(shè)備進(jìn)行海上裝配作業(yè)。

隨著技術(shù)成熟與近海資源開發(fā)程度的加深，浮式風(fēng)機(jī)將是海上風(fēng)電發(fā)展的主要方向。不同基礎(chǔ)型式的浮式風(fēng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀不盡相同，目前 Spar浮式風(fēng)機(jī)已經(jīng)搶占了商業(yè)運營的先機(jī)，大量半潛或類半潛浮式風(fēng)機(jī)逐漸成熟，陸續(xù)進(jìn)行了樣機(jī)測試和商業(yè)運營階段，TLP浮式風(fēng)機(jī)尚未進(jìn)入樣機(jī)測試階段，相關(guān)技術(shù)還未完全成熟。

國內(nèi)外海上風(fēng)電項目

目前，全球正在運營的總裝機(jī)量200MW以上的海上風(fēng)電場有47個，其中英國和德國各16個、中國7個、丹麥4個、比利時3個、荷蘭1個。 正在運行的最大海上風(fēng)電場是位于英國愛爾蘭海的Walney Extension風(fēng)電場。該風(fēng)電場2018年開始投入運行，面積約145平方公里，總裝機(jī)量659MW，能為59萬戶家庭提供電力。Gemini 風(fēng)場是荷蘭最大的海上風(fēng)電場，離岸約55km，2017年投入使用，總裝機(jī)容量為600MW，項目總建設(shè)成本約28億歐元。Gode Wind風(fēng)場是德國最大海上風(fēng)場，由Gode 1、Gode 2和Gode 3三個項目組成。三個項目總裝機(jī)量高達(dá)900MW，其中Gode1和 Gode 2于2017年投入使用，投資成本為22億歐元。Horns Rev 海上風(fēng)場是丹麥最大海上風(fēng)電場，位于北海丹麥海域。該風(fēng)電場分三期建設(shè)，第一期于2002年投產(chǎn)，第二期于2009年投產(chǎn)，第三期于2019年投產(chǎn)。

對于海上風(fēng)機(jī)的研究探索，國外許多國家已從對海上固定式風(fēng)機(jī)過渡到了海上浮式風(fēng)機(jī)開發(fā)利用階段。目前，國際上約有40個浮式風(fēng)機(jī)項目正在研發(fā)中，這些項目歐洲約占60%，其它集中在美國和日本。

我國最大海上風(fēng)電場是濱海海上風(fēng)電場，由國家電投江蘇公司投資開發(fā)建設(shè)。現(xiàn)階段我國主要海上風(fēng)電重點項目包括：1、福清興化灣樣機(jī)試驗風(fēng)場，這是國內(nèi)首個5MW以上大功率機(jī)組試驗風(fēng)場，引入了8家國內(nèi) 外知名海上風(fēng)機(jī)廠商的合作交流，突破了福建地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下海上風(fēng)電嵌巖基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了抗臺風(fēng)大容量機(jī)組和海上基礎(chǔ)的首次應(yīng)用。2、江蘇大豐300MW海上風(fēng)電項目，這是國內(nèi)首個8m大直徑單樁項目，率先采用了6.45MW大容量海上低風(fēng)速大葉輪直徑機(jī)組試驗，也是國內(nèi)在建離岸最遠(yuǎn)、首個批量化使用復(fù)核筒型基礎(chǔ)的海上風(fēng)電項目。3、陽西沙扒300MW海上風(fēng)電項目，這是我國南海海域離岸距離最遠(yuǎn)的海上風(fēng)場，也是國內(nèi)核準(zhǔn)最快、首個浮式海上風(fēng)電基礎(chǔ)示范的海上風(fēng)電項目，布置了55臺5.5MW的大兆瓦風(fēng)電機(jī)組，年發(fā)電量約8.4億千瓦時。4、樂亭菩提島300MW海上風(fēng)電示范項目，這是我國北方在建的第一個海上風(fēng)電項目，也是渤海第一個海上風(fēng)電項目。場址區(qū)水深約5～15m，場址中心離岸距離約16km。該項目選用75臺上海電氣SWT-4.0-130風(fēng)電機(jī)組，其中36臺為高莊混凝土基礎(chǔ)，39臺為單樁基礎(chǔ)。5、上海臨港海上風(fēng)電一期示范項目，這是上海繼東海大橋海上風(fēng)電項目后第二個國家級海上風(fēng)電示范項目。利用海域面積約18平方公里，通過4根35千伏的海纜接入已建成的陸上集控中心。

截至2018年，我國共有23個在建的海上風(fēng)電項目。其中江蘇海域在建項目最多，7個風(fēng)電項目總量約2107MW;福建海域包攬6個在建項目，總量約為1620MW;廣東海域位列第三，共5個在建項目，總量約為1500MW;遼寧海域2個在建項目共計約600MW;河北海域有1個在建項目，總量300MW;浙江海域有1個在建項目，總量252MW;上海海域有1個在建項目約100MW。

我國目前還沒有浮式風(fēng)機(jī)試點項目安裝，但國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和高校已經(jīng)在浮式風(fēng)機(jī)的概念設(shè)計、數(shù)值分析和模型試驗的研究中取得了一定的進(jìn)展。

海上風(fēng)電的挑戰(zhàn)

相比傳統(tǒng)的海上石油平臺常常是單個存在，海上風(fēng)電的建設(shè)都是批量化設(shè)計與施工，可以帶動一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備、系泊系統(tǒng)、橡膠護(hù)舷等。另外，風(fēng)電工程不同于石油工程，對工程造價十分敏感。如何打破國外的壟斷技術(shù)，推動產(chǎn)品國產(chǎn)化，力爭將研究成果盡快運用到實際工程中是我國發(fā)展風(fēng)機(jī)技術(shù)的一大難題。

我國正處于近海規(guī)?；⑸詈Ｔ圏c化的關(guān)鍵階段，現(xiàn)階段應(yīng)根據(jù)我國海上固定式風(fēng)機(jī)的發(fā)展研究經(jīng)驗，借鑒國外浮式風(fēng)機(jī)開發(fā)特點，從點到面推進(jìn)浮式基礎(chǔ)的建設(shè)，并在特定場址積極進(jìn)行浮式樣機(jī)試驗風(fēng)場建設(shè)，帶動浮式風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，為即將到來的海上風(fēng)電建設(shè)熱潮奠定扎實有效的基礎(chǔ)和支撐。

海上風(fēng)電的開發(fā)也使得海上運維能力得到了大幅提升。海上風(fēng)電整機(jī)運維成本一般是陸地風(fēng)電運維成本的2倍以上，國內(nèi)海上風(fēng)電項目運行周期大多為25年，海上風(fēng)電全生命周期成本大，運維成本約占21%。在提高運維可靠性、安全性的同時，降低運維成本也是海上風(fēng)電的一大難題。

相比于國外，我國在風(fēng)機(jī)運維技術(shù)上還存在很多不足和挑戰(zhàn)。我國對風(fēng)機(jī)運維技術(shù)的研究較短，運維經(jīng)驗不足。國外已建立起智能化運維平臺，而我國對這塊仍處于起步、探索階段，現(xiàn)階段使用的運維船專業(yè)性、安全性、通達(dá)性、安全性較差。我國對于海上風(fēng)電運維的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較為缺失，目前尚無風(fēng)電運維船舶的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。研究開發(fā)智能化海上運維數(shù)據(jù)中心、打造海上運維產(chǎn)業(yè)、建立全生命周期的運維體系是未來海上風(fēng)電運維發(fā)展的大方向，運維成本的逐漸下降對實現(xiàn)海上風(fēng)電“平價上網(wǎng)”意義重大。