大規模海上風電的非并網多元化應用研究——變海上風電場輸電上岸為直接輸產品上岸的探索

顧為東

(江蘇省宏觀經濟研究院，南京210013)

1 前言

2008年，中國二氧化碳排放量為71．2×108t，約占世界排放總量316×108t的1/4，是世界上最大的溫室氣體排放國［1］，中國政府已承諾2020年單位GDP碳排放將比2005年減少40% ～45%，將面臨巨大的二氧化碳減排壓力。而風能作為一種最廉價、最方便、最清潔的綠色環保可再生能源之一，在二氧化碳減排方面有很大潛力。中國擁有豐富的風能資源，根據最新的測算，中國陸上50 m高風電可開發量為23．5×108kW，海上風資源可開發量目前還沒有最新數據，但最保守預計應為原有2．5×108kW的4至6倍。中國風電裝機容量從2005―2009年也實現了連續5年每年翻番，2009年風電總裝機容量2 601×104kW，位居全球第二［2］。

但是，中國大規模風電正面臨并網難題。根據中國工信部的數據顯示，2009年中國風電對電網貢獻率為0．75% ，約988×104kW風力機不能并網發電，占總裝機容量 37．8%［3］。因此，科學、高效解決中國充分發揮風資源優勢、推動大規模風能利用、實現溫室氣體減排目標，已成為能源界和政府共同的重要任務。

2 我國大規模海上風電發展現狀

我國大陸的海岸線長，風能資源豐富，具備了大規模發展海上風電的條件。隨著上海東海大橋10×104kW海上風電場34臺機組實現全部并網發電，中國的海上風電發展開始進入“加速期”。目前已有上海、江蘇、浙江、山東和福建等多個省市區提出了各自的海上風電發展規劃。預計到2015年中國的海上風電裝機容量將達到500×104kW，到2020年增長至3 000×104kW以上。

隨著我國越來越多海上大型風電場的上馬，建設和運行中眾多制約因素也將日益凸顯［4］。首先海上風電場施工難度和集中輸變電、建設費用高，約為2萬～2．5萬元/kW，遠高于陸上風電的8 000萬～10 000萬元/kW，而其中輸配電系統占總成本的25% ～35%(由輸電線路遠近決定)。其次是電網受限，海上風電場由于施工難度和集中輸變電、建設費用高等經濟性問題，難以像陸上建成分布式風場，必須大規模開發，而大規模海上風電場的開發，所發巨大電能在沒有水電或燃氣發電調峰的情況下，風電對電網貢獻率難以超過10%，這是一個世界性難題［5］。即使在電網容量巨大的華東地區，也面臨著海上風電場強大電流對電網接口的沖擊。

海上大規模風電非并網多元化應用系統突破海上大規模風電并網的單一應用模式，通過必要的技術創新與集成，將大規模海上風電與高載能產業(如海水淡化、電解水制氫和電解鋁等)直接耦合形成一個完整的新系統，變海上風電場輸電上岸為直接輸產品上岸，破解了大規模、超大規模海上風電應用難題。

對于海水淡化和制氫的非并網風電應用設備，為塔式結構，并整體安放于風機塔筒內，組成一體化成套裝置，變海上風電場輸電上岸為直接輸產品上岸，不僅節省海上風電場投資成本的25% ～35%(由輸電線路遠近決定)，而且使風電利用效率提高8%～12%，具有十分重要的戰略意義和顯著的經濟價值。

3 非并網風電的基本理論

“非并網風電”理論是由筆者于1985年首次以論文形式提出的［6］。非并網風電是指大規模風電系統的終端負荷不再是傳統的單一電網，而是通過必要的技術創新與集成，直接應用于一系列能適應風電特性的高載能產業及其他特殊領域。項目圍繞影響中國風電規模化、產業化發展的三個難題開展研究:在沒有水電或燃氣發電等調峰情況下，風電在電網中的貢獻率難以超過10%;風力機結構復雜，風電價格遠高于煤電;缺乏有自主知識產權的核心技術。由于原創性、系統創新性突出，學科交叉特點鮮明，“大規模非并網風電系統的基礎研究”項目于2007年7月獲得國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)的立項。項目研究的目標是:建立100%消耗大規模風電場電力的非并網風電應用系統，解決大規模、超大規模風電場電量的應用難題;構建高效率、高可靠性、低成本的大規模非并網風電系統，系統內風電價格接近或低于煤電;實現大規模風電發展的社會效益、環境效益和經濟效益的統一。

風電的這種非并網運行方式的優勢體現在:

1)非并網風電系統采用直流電，回避風電上網電壓差、相位差、頻率差難以控制的問題，繞開電網這一限制風電大規模應用的瓶頸。

2)突破終端負荷使用風電的局限，使風電在大規模非并網風電系統中的供電比重達到100%。

3)“非并網風電”將引發風電在風力設計、輸變電線路上變電所功能的一系列簡化，最終實現風能利用效率的提高和風電成本的降低［7］。

4 海上大規模風電的非并網多元化應用系統

海上大規模風電的非并網多元化應用包括非并網風電海水淡化系統、非并網電解水制氫系統等。它提供一種適應風電特性、100%應用海上大規模風電直接進行工業化生產，就地使用廉價清潔且可再生的海上大規模非并網風電為能源，變輸電上岸為輸產品上岸，不僅大幅度降低了海水風電場的投資成本，而且還有效提高了風電的利用效率，如圖1所示。

圖1 海上大規模風電的非并網多元化應用變輸電上岸為輸產品上岸示意圖Fig．1 Changing offshore w ind power transm ission into product transm ission ashore in the non－grid－connected diverse app lication of large－scale offshore w ind power

海上大規模風電的非并網多元化應用系統主要有海上非并網風機、控制系統、電力變換器、新型海水淡化、電解水制氫或電解鋁海水平臺等部分組成，如圖2所示。

5 海上大規模非并網風電海水淡化系統

海水淡化，又稱“海水脫鹽”，是通過物理、化學或物理化學方法從海水中獲取淡水的技術和過程，它是解決水資源短缺的重要途徑。

圖2 海上大規模風電的非并網多元化應用系統結構框圖Fig．2 The system structure of the non －grid －connected diverse application of large－scale offshore w ind power

新型大規模非并網風電海水淡化系統提供一種適應風電特性、100%應用海上風電進行海水淡化的工業性生產系統。通過低溫多級高效風電海水淡化新工藝，借助熱泵高效、節能特性，直接使用非并網風電為能源，在變風況情況下，實現淡化過程溫度、壓力和流量3者動態平衡。

系統利用海上非并網風力發電機發出的直流電，直接耦合為新型的低溫多效熱泵海水淡化裝置中使用的熱泵、水泵及真空泵等的工作電源。其工作時的物理表現為:風大時，海水淡化設備處理量加大，淡水產量增加;風小時，海水淡化設備處理量減小，淡水產量減少;無風時，海水淡化設備停止生產。新型海水淡化設備為塔式結構，并整體安放于風機塔筒內，組成一體化成套裝置，充分利用海上風力機彼此分散的特點，解決了岸上大規模、超大規模海水淡化造成的點源污染難題［8］。

目前，該方法已完成2效和3效試驗設備的加工生產(見圖3)，已獲國家發明專利“低溫多級高效風電海水淡化方法及其裝置”(ZL200710019522．6)，并獲得中國－加拿大政府國際科技合作項目資助(No．21010DFA61540)。

6 海上大規模非并網風電電解水制氫系統

氫能具有清潔高效的特點，被認為是未來最有潛力的能源載體之一。在目前的各種制氫技術中，利用可再生能源所產生的電能作為動力來電解水是最為成熟和最有潛力的技術。

圖3 海水淡化驗證平臺Fig．3 Desalination verifying platform w ith w ind power

海上大規模非并網風電電解水制氫系統采用的壓力型堿性水電解制氫裝置圖，如圖4所示。該裝置的核心設備為電解槽，由若干小室串接而成，額定工作電壓為直流50 V。當工作電壓大于產氣閾值電壓時，裝置開始生產氣體，在電解槽陰極產生氫氣、陽極產生氧氣。氣體在壓力作用下，通過冷卻器冷卻后分別進入氫氧槽，再由調節閥控制輸出，后進入純化系統純化，制成滿足工業生產要求的氣體。在氣體生產過程中，通過循環泵不斷的補充水電解過程中消耗的水，并由水冷系統控制堿水溫度，使其保持在正常工作溫度。

圖4 10 Nm3/h壓力型堿性水電解制氫系統裝置圖Fig．4 The equipment w ith 10 Nm3/h of the pressure alkaline water electrolysis hydrogen production system

圖5試驗影響曲線表明，在5～15 A/dm2區間里，電流密度的大幅度變化只影響氫氣產量，而不影響電流效率和氫氣質量，揭示了風電與電解水制氫的耦合機理(已成為中國《小型氫能綜合能源系統性能評價方法》國家標準的重要內容)。因此，可以將大規模風電通過必需的技術創新和集成與制氫工業直接耦合。

海上大規模非并網風電電解水制氫系統，風電不經過電網直接應用于電解水制氫，將不穩定的風能轉變為穩定的氫能輸出。該系統為降低風電場成本，提高風電利用率，突破風電發展瓶頸，走出了一條有中國特色的大規模風電多元化發展之路，可形成千億(元)級的新興戰略性產業。

圖5 電流密度和產氫效率的關系曲線Fig．5 The hydrogen production efficiency curve under different current densities

7 海上大規模非并網風電多元化應用系統特點及意義

海上大規模非并網風電多元化應用充分尊重中國風電發展的特性和規律，突破海上大規模風電并網的單一應用模式。通過必要的技術創新與集成，將大規模海上風電與高載能產業(如海水淡化、電解水制氫和電解鋁等)直接耦合形成一個完整的新系統，破解了大規模、超大規模海上風電應用難題，將有利于在中國海上風能資源豐富的地區建設成若干綠色低碳的高載能工業園區，形成若干個千億元級的新興戰略型綠色產業。該系統具有以下幾個顯著特點:

1)100%利用海上風電，將替代大量的化石能源，大大減少溫室氣體排放，有效實現低成本產品供給，解決了大規模、超大規模海上風電應用難題。

2)可以大規模開展，突破風電在電網中的比例不超過10%的局限，也不會給電網帶來沖擊。

3)新型多元化應用設備為塔式結構，并整體安放于風機塔筒內，組成一體化成套裝置，變海上風電場輸電上岸為直接輸產品上岸，省略了繁雜的輸變電系統(至少省卻低速直驅風機的逆變、2級升壓、高壓輸電、2級降壓，最后到達終端負荷等環節)和復雜的海底電力電纜(目前的海底電纜因埋在淤泥中，散熱條件差，需循環油散熱等降溫措施)，從而節省海上風電場投資成本的25% ～35%(由輸電線路遠近決定)，并使風電利用效率提高8% ～12%。

4)全球范圍內具有很好的商業前景。海上大規模非并網風電多元化應用系統結合我國豐富的海上風能資源，可以建設一系列利用大規模海上風電直接進行大規模海水淡化、電解水制氫和電解鋁等產業基地，直接輸出工業產品，有利于國家可再生能源的開發利用和保障國家能源安全，有利于緩解我國二氧化碳減排方面的國際壓力。

［1］ Netherlands Environmental Assessment Agency．No growth in total global CO2emissions in 2009［EB/OL］．http://www．pbl．nl/en/publications/2010/No－growth－in－total－global－CO2－emissions－in －2009．html．

［2］ 中國風能協會．2009年風電裝機容量［EB/OL］．http://www．cwea．org．cn/upload/201006102．

［3］ 中國電力企業聯合會．2009年電力工業快報統計數據一覽［EB/OL］．http://www．cec．org．cn/html/deptnews/2010/1/7/201017166413867．html．

［4］ 繆國平，朱仁傳，程建生，等．海上風電場建設與海洋工程裝備研發中若干水動力學關鍵技術問題［J］．上海造船，2009，77(1):19－25．

［5］ Maegaard P．Wind energy development and application prospects of non－grid－connected wind power［C］//Proceedings of 2009 World Non－Grid－Connected．VSA:Wind Power and Energy Conference．New York:IEEE Press，2009．

［6］ 顧為東．利用風能資源開發蘇北灘涂［J］．江蘇工學院學報，1986，7(4):82 －87．

［7］ 顧為東．中國風電產業發展新戰略與風電非并網理論［M］．北京:化學工業出版社，2006．

［8］ Gu W ，He X ．Developmentof an innovative seawater desalination system using non－grid－connected wind power［C］//Proceedings of2009 World Non－Grid－Connected Wind Power and Energy Conference．New York:IEEE Press，2009:483 －480．