海上漂浮式風(fēng)機(jī)發(fā)展調(diào)研及分析

陳明亮，楊朋飛，常 璐，徐洋洋

(華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司，北京 100872)

目前，世界上建成的海上風(fēng)電場(chǎng)絕大多數(shù)為近海風(fēng)電場(chǎng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的海床固定式海上風(fēng)電機(jī)組，漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組可以安裝到具有強(qiáng)風(fēng)的遠(yuǎn)洋深處，因此風(fēng)能利用大幅提升[1]。全球80%的海上風(fēng)資源位于水深超過(guò)60 m的海域，這對(duì)固定式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)是巨大的挑戰(zhàn)，海上風(fēng)電勢(shì)必會(huì)向深遠(yuǎn)海發(fā)展。深遠(yuǎn)海范圍更廣、風(fēng)能資源更豐富、風(fēng)速更穩(wěn)定，且不會(huì)與海上漁場(chǎng)、航線等發(fā)生沖突，發(fā)展海上風(fēng)電具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[2]。

據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2030年底全球的漂浮式海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到15 000 MW；英國(guó)碳信托(Carbon Trust)則直接給出2021年前將會(huì)建設(shè)的260 MW漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目。DNV GL指出，到2050年，12% 的全球主要能源供應(yīng)將來(lái)自風(fēng)能，其中20%來(lái)自離岸風(fēng)電。到2050年，離岸風(fēng)電將較2016年增長(zhǎng)85倍。雖然大多數(shù)的漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)處于計(jì)劃樣機(jī)工程、實(shí)驗(yàn)室研發(fā)或概念設(shè)計(jì)階段，仍舊面臨著證明技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)可行性的風(fēng)險(xiǎn)和壓力，但海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海發(fā)展已是必然趨勢(shì)[3]。

1 漂浮式風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

深遠(yuǎn)海風(fēng)電通常水深超過(guò)50 m，與近海相比，深海環(huán)境更加惡劣，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海底電纜、海上平臺(tái)集成等技術(shù)無(wú)疑提出了更嚴(yán)苛的要求[4]。在這樣的海域，以固定基礎(chǔ)的方式建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)，不具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。與近海風(fēng)電場(chǎng)相比，深海風(fēng)力發(fā)電主要區(qū)別和難點(diǎn)更在于機(jī)組基礎(chǔ)型式[5]。因此，要走向風(fēng)大浪高的深遠(yuǎn)海，必須改變技術(shù)路徑。

漂浮式風(fēng)機(jī)的分類主要依據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)的樣式。浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成要素主要包括錨鏈、錨、浮箱。每種要素的不同形式能組合成很多種浮式基礎(chǔ)形式，相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)前全世界有30多種浮式風(fēng)機(jī)概念，基本分為以下幾類：半潛形式基礎(chǔ)(semi)、Spar形式基礎(chǔ)(Spar)、張力腿式基礎(chǔ)(TLP)、駁船式基礎(chǔ)(Barge)以及混合概念式基礎(chǔ)[6-7]，外觀形狀如圖1。

Semi半潛式平臺(tái)主要利用不同浮筒的吃水體積來(lái)獲得復(fù)原力矩以維持平臺(tái)的穩(wěn)定性。Spar平臺(tái)主要是通過(guò)壓載艙使整個(gè)系統(tǒng)的重心低至浮心之下來(lái)保證整個(gè)風(fēng)機(jī)在水中的穩(wěn)定，再通過(guò)懸鏈線來(lái)保持整個(gè)風(fēng)機(jī)的位置。張力腿式鉆井平臺(tái)(TLP)是利用繃緊狀態(tài)下的錨索產(chǎn)生的拉力與平臺(tái)的剩余浮力相平衡的鉆井平臺(tái)，通過(guò)系泊纜的張力獲得穩(wěn)定性。Barge平臺(tái)靠調(diào)節(jié)吃水線來(lái)維持平臺(tái)的穩(wěn)定，力學(xué)方面和半潛平臺(tái)有相似之處[8-9]。它們的動(dòng)力及安裝等特性如表1。

圖1 常見(jiàn)基礎(chǔ)型式圖

表1 常見(jiàn)漂浮式基礎(chǔ)特性表

目前，全球已有的漂浮式基礎(chǔ)如表2，具體樣式特點(diǎn)見(jiàn)圖2～圖13。

表2 已有漂浮式基礎(chǔ)型式統(tǒng)計(jì)表

圖2 Hywind spar 單柱式基礎(chǔ)圖

圖3 WindFloat漂浮式基礎(chǔ)圖

圖4 Ideol的阻尼池漂浮式基礎(chǔ)圖

圖5 Hywind spar 單柱式基礎(chǔ)圖

圖6 Hexicon的雙風(fēng)機(jī)半潛式基礎(chǔ)圖

圖7 Naval Energies的漂浮式基礎(chǔ)圖

圖8 SBM的漂浮式基礎(chǔ)圖

圖9 Nautilus圖

圖10 Cobra的Semi-spar(半潛單柱式)基礎(chǔ)圖

圖11 SATH基礎(chǔ)圖

圖12 SOT Tetrospar基礎(chǔ)圖

圖13 P80基礎(chǔ)圖

2 全球漂浮式風(fēng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，除了由挪威國(guó)家石油公司開(kāi)發(fā)的Hywind單柱式漂浮技術(shù)已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模商業(yè)化之外，即將開(kāi)工建設(shè)的小規(guī)模預(yù)商業(yè)化項(xiàng)目的還包括由PPI開(kāi)發(fā)的Windfloat半潛式漂浮基礎(chǔ)，由Ideol開(kāi)發(fā)的阻尼池半潛式漂浮基礎(chǔ)等。2021年前估計(jì)約有5～6種基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)跨入商業(yè)化階段。

2.1 歐洲漂浮式風(fēng)機(jī)

在全球已建成和正在開(kāi)發(fā)的漂浮式項(xiàng)目中，歐洲占據(jù)了3/4以上。表3是已經(jīng)投產(chǎn)和即將投產(chǎn)的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生明確遺傳物質(zhì)應(yīng)該具有的特點(diǎn)，使學(xué)生能夠理解為什么當(dāng)時(shí)科學(xué)家會(huì)認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)。

表3 歐洲漂浮式風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)統(tǒng)計(jì)表 MW

英國(guó)全球首個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的大型海上漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目“海溫德蘇格蘭漂浮式風(fēng)30達(dá)式MW電場(chǎng)”已在英國(guó)海域投入運(yùn)行。蘇格蘭金卡丁50MW漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目提供5臺(tái)9.5 MW V164風(fēng)機(jī)，西班牙合資公司Navantia-Windar正在為金卡丁項(xiàng)目制造漂浮式基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)概念與葡萄牙WindFloat 24 MW漂浮式項(xiàng)目基本類似。Dounreay Tri將采用Hexicon概念，單個(gè)結(jié)構(gòu)支撐2臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)由中國(guó)船舶重工集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司提供，項(xiàng)目處于實(shí)施中。Atlantis項(xiàng)目預(yù)計(jì)采用Ideol的damping-pool，先做樣機(jī)，再做商業(yè)化，目前項(xiàng)目處于樣機(jī)建設(shè)階段。

目前，西班牙安裝了1臺(tái)歌美颯5 MW的海上風(fēng)機(jī)；第2臺(tái)則是EnerOcean正在開(kāi)發(fā)的漂浮式小型2葉片樣機(jī)，已在大加那利島附近的加那利群島海洋平臺(tái)測(cè)試場(chǎng)(PLOCAN)安裝。Flocan 5 Canary約在2020年投產(chǎn)25 MW漂浮式式風(fēng)電場(chǎng)，基礎(chǔ)將采用semi-spar型式。

法國(guó)目前也計(jì)劃建造4座24 MW漂浮式示范項(xiàng)目，預(yù)計(jì)將在2020年至2021年之間安裝。一個(gè)項(xiàng)目位于大西洋，其余三個(gè)在地中海，它們分別是：由中廣核參與開(kāi)發(fā)的Groix Belle Ile，安裝GE 6 MW風(fēng)機(jī)，采用Naval Energies的漂浮式基礎(chǔ)；由ENGIE、EDPR等開(kāi)發(fā)的Golfe du Lion，安裝GE 6 MW風(fēng)機(jī)，采用PPI的WindFloat漂浮式基礎(chǔ)；由Quadran等開(kāi)發(fā)的EolMed，安裝Senvion 6.2 MW風(fēng)機(jī)，采用Ideol的阻尼池漂浮式基礎(chǔ)；由EDF等開(kāi)發(fā)的Provence Grand Large，安裝西門(mén)子8 MW風(fēng)機(jī)，采用SBM的漂浮式基礎(chǔ)。

葡萄牙WindFloat Atlantic漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目，全球首個(gè)半潛漂浮式海上風(fēng)電商用項(xiàng)目正在建設(shè)中，基礎(chǔ)采用半潛式基礎(chǔ)。挪威在2009年部署了挪威石油的Hywind I樣機(jī)，瑞典在2015年部署了SeaTwirl樣機(jī)，隨后兩國(guó)的動(dòng)作不大。荷蘭SBM Offshore公司設(shè)計(jì)的漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，連同其設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)和商業(yè)化海上風(fēng)機(jī)，一起獲得了美國(guó)船級(jí)社(ABS)的原則性批準(zhǔn)。該基礎(chǔ)是法國(guó)Provence Grand Large項(xiàng)目的基礎(chǔ)型式。

西班牙漂浮式技術(shù)公司X1 Wind獲得400萬(wàn)歐元資金支持，將其創(chuàng)新的漂浮式設(shè)計(jì)PivotBuoy推向市場(chǎng)，希望這項(xiàng)技術(shù)能在全球廣泛應(yīng)用。X1 Wind將領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由9個(gè)合作伙伴組成的聯(lián)盟，其中包括EDP、ESM、WavEC、IntecSeA、丹麥技術(shù)大學(xué)、DNV GL和Degima，在加那利群島測(cè)試站點(diǎn)海洋平臺(tái)PLOCAN進(jìn)行為期三年的試驗(yàn)。這筆推廣資金主要來(lái)源于歐盟委員會(huì)的“Horizon 2020”項(xiàng)目，將用于確保在2020年對(duì)這種新型漂浮式模型進(jìn)行測(cè)試，模型大約為實(shí)物的1/3大小。其樣式如圖14。

圖14 X1wind示意圖

2.2 亞洲漂浮式風(fēng)機(jī)

中國(guó)大陸在2022年之前可能有至少3個(gè)浮式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目，它們分別在上海、福建、汕頭，但不確定性較大。Eolfi和Cobra計(jì)劃為臺(tái)灣建設(shè)5個(gè)500 MW漂浮式項(xiàng)目，包括計(jì)劃在2022年投產(chǎn)的W1N海上風(fēng)電場(chǎng)，部署Ideol damping-pool基礎(chǔ)平臺(tái)的的可行性較大。

韓國(guó)國(guó)家石油公司在今年早些時(shí)候也啟動(dòng)其漂浮式海上風(fēng)電業(yè)務(wù)，計(jì)劃在其已有的東海油氣平臺(tái)附近建設(shè)200 MW漂浮式項(xiàng)目；另外，蔚山市也與多家國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)商簽訂了開(kāi)拓漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目機(jī)會(huì)的協(xié)議。

日本2014年投產(chǎn)第一個(gè)漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)(福島14 MW)后，福島先鋒項(xiàng)目共安裝了3臺(tái)形式不一的漂浮式風(fēng)機(jī)和1座浮式變電站，包括1臺(tái)2 MW、1臺(tái)5 MW和1臺(tái)7 MW容量風(fēng)機(jī)，總?cè)萘?4 MW，是當(dāng)時(shí)世界上最大的漂浮式海上試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)。其三種基礎(chǔ)形式包括2 MW緊湊型半潛式基礎(chǔ)Compact Semi-Sub，5 MW先進(jìn)柱體式平臺(tái)基礎(chǔ)和7 MW V型半潛式基礎(chǔ)，如圖15所示。

圖15 福島項(xiàng)四種基礎(chǔ)型式圖

近期，日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織NEDO開(kāi)發(fā)Hibiki漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目，該示范項(xiàng)目采用法國(guó)Ideol阻尼池漂浮式基礎(chǔ)，頂部安裝1臺(tái)德國(guó)Aerodyn 3.2 MW 2葉片風(fēng)機(jī)，如圖16。Ideol和Acacia正計(jì)劃在2023年投產(chǎn)大型商用漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目，與此同時(shí)PPI也與三井造船株式會(huì)社合作開(kāi)發(fā)該領(lǐng)域的項(xiàng)目。

圖16 日本Hibiki項(xiàng)目圖

2.3 美洲、澳洲、非洲漂浮式風(fēng)電開(kāi)發(fā)情況

美國(guó)葡電新能源(EDPR)準(zhǔn)備在加利福尼亞附近海域開(kāi)發(fā)一個(gè)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目；在夏威夷，Alpha Wind也計(jì)劃開(kāi)發(fā)2個(gè)400 MW的漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)，并將采用8 MW風(fēng)機(jī)及Windfloat半潛式基礎(chǔ)。

澳大利亞政府剛剛有意開(kāi)發(fā)“南部之星”近海風(fēng)電場(chǎng)，深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)還沒(méi)有計(jì)劃。

非洲各國(guó)目前暫無(wú)開(kāi)發(fā)漂浮式風(fēng)機(jī)計(jì)劃。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)第一個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)蘇格蘭海溫德風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)將為后續(xù)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目提供重要的參考價(jià)值，將推動(dòng)全球漂浮式海上風(fēng)電快速發(fā)展。

2)一些漂浮式基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入成熟階段，如Hywind-spar、Windfloat和Ideol damping-pool，并將在多個(gè)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用。

3)目前歐洲是全球浮式風(fēng)機(jī)發(fā)展最迅速，漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)最為領(lǐng)先地區(qū)。

4)歐洲許多漂浮式風(fēng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段；亞洲的日本進(jìn)入樣機(jī)示范階段，其他地區(qū)還在計(jì)劃當(dāng)中；美國(guó)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)同樣在計(jì)劃當(dāng)中；全球其他地區(qū)暫無(wú)計(jì)劃。

5)全球漂浮式風(fēng)機(jī)的技術(shù)的發(fā)展與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度密切相關(guān)；當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平同樣影響著漂浮式風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展計(jì)劃，這主要是目前漂浮式風(fēng)電場(chǎng)高昂的建設(shè)成本所致。由于深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)機(jī)現(xiàn)在開(kāi)發(fā)成本巨大，所以對(duì)于經(jīng)濟(jì)比較落后的地區(qū)，對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)還是相當(dāng)謹(jǐn)慎。海上漂浮風(fēng)電場(chǎng)面臨的真正挑戰(zhàn)不是機(jī)組規(guī)模，而是通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和削減建造成本來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)漂浮式風(fēng)機(jī)的發(fā)展。

6)現(xiàn)階段，我國(guó)的海上風(fēng)電規(guī)劃大都位于水深<50 m的區(qū)域內(nèi)，個(gè)別項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到了固定式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性的臨界點(diǎn)，未來(lái)海上風(fēng)電必將向更深更遠(yuǎn)的海域發(fā)展?，F(xiàn)在，中國(guó)在浮式風(fēng)機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)水平和研發(fā)能力還較低，因此漂浮式技術(shù)將必須攻克。我國(guó)科技部和地方政府目前也在對(duì)漂浮式技術(shù)方面的課題項(xiàng)目給予支持和資助，以期在漂浮式技術(shù)方面躋身世界前列。