國內外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀及海域使用中的有關問題分析

周艷榮,張 巍,宋 強

(1.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033;2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033;3.青島理工大學琴島學院土木工程系 青島 266106;4.青島酒店管理職業(yè)技術學院 青島 266100)

國內外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀及海域使用中的有關問題分析

周艷榮1,2,張 巍3,宋 強4

(1.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033;2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033;3.青島理工大學琴島學院土木工程系 青島 266106;4.青島酒店管理職業(yè)技術學院 青島 266100)

文章介紹了國內外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀,探討了海上風電場建設中應該注意的有關問題。提出了海上風電場選址應該從符合海洋功能區(qū)劃、具備良好的外部依托條件和與水文動力等自然條件相適應等角度考慮,給出了海上風電場風機平面布置的原則;并指出了海上風電場運行后維護工作的難度和重要性。

海上風電;風電機組;風電場平面布置

海上風電由于其資源豐富、風速穩(wěn)定、對環(huán)境的負面影響較少;風電機組距離海岸較遠,噪聲、視覺干擾很小;單機容量大,年利用小時數(shù)高;不占用土地資源等優(yōu)勢,近幾年發(fā)展迅速。截至2009年,全世界建成的海上風電場有30余座,裝機容量達到了100萬kW[1]。海上風電技術正在完善,海上風電場開始進入規(guī)模化發(fā)展階段,潛力巨大。筆者主要介紹國內外海上風電發(fā)展的現(xiàn)狀,探討海上風電場建設中應該注意的有關問題。

1 國外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀

對于海上風電產業(yè)來說,歐美發(fā)達國家已經相當成熟,而我國對海上風電發(fā)展則剛剛起步,各方面都還很不成熟,正因為如此,非常有必要了解和吸收國外海上風電產業(yè)發(fā)展的經驗,從中獲得啟示,以加快我國海上風電產業(yè)發(fā)展的步伐。

1.1 歐洲海上風電發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲是全球海上風電發(fā)展最快的地區(qū)。目前,全球海上風電場主要分布在丹麥、英國、荷蘭、瑞典和愛爾蘭等歐洲國家。根據(jù)2010年1月,歐洲風能協(xié)會(EWEA)發(fā)布的《2009歐洲海上風電產業(yè)的主要趨勢和統(tǒng)計資料》,至2009年底,歐洲水域中共安裝、并網的風力渦輪機達到828臺,遍布9個歐洲國家的38個風電場,總計安裝容量為2 056 MW(表1)。

表1 至2009年底歐洲各國海上風機安裝情況

丹麥的風能資源非常豐富,也是世界上最早大規(guī)模開始風力發(fā)電的國家,在風電技術上也位居世界領先地位。丹麥主要的風機裝備制造商維斯塔斯早在20世紀90年代初就開始研究海上風電技術,是最早掌握海上風電技術開發(fā)的公司。1990年,丹麥安裝了全球第一臺示范近海風電機組,單機容量220 kW。自此,世界風電發(fā)展跨入了另一個時代。1997年,丹麥政府制訂了海上風電發(fā)展計劃,預計2010年,丹麥的海上風電將達到100萬kW。目前,丹麥建成了9個海上風電場,總裝機容量60萬kW余,占世界海上風電的1/3、歐盟海上風電的1/2。

英國海上風電項目穩(wěn)步增長,由于英國海域內風力資源占歐洲總資源相當大的比例,因此發(fā)展前景比較樂觀。相關研究報告估計,英國海上風能接近1 000 TW·h,相當于全國年總用電量的數(shù)倍。綜合英國優(yōu)越的海上風能資源,強大的海上政權以及2015年15%新能源比例的強制性政策建立,英國被認定是全球海上風電最佳市場。自2000年12月英國第一座海上風電場——諾森伯蘭郡布萊斯海港風電場批準建立以來,已有13座海上風電場陸續(xù)建立起來,總裝機容量超過1 155 MW。其中12座海上風電場已完成并網發(fā)電,總裝機容量達到882.8 MW。

德國海上風力發(fā)電起步比較晚,國內首座海上風能電站——“阿爾法文圖斯”始建于2008年7月,2010年4月27日在北海正式并網發(fā)電,這標志著德國海上風電進入大發(fā)展時期。阿爾法文圖斯電站位于離德國北部島嶼波爾庫姆以北45 km的北海海域,造價達2.5億歐元,現(xiàn)裝有12臺風能裝置(俗稱“風車”),每臺裝置的裝機容量均為5 000 kW,一年共發(fā)電至少2.2億kW·h,從理論上可滿足5萬家庭的用電需求。這樣級別的裝機容量在世界海上風電站的建設史上還是首次,阿爾法文圖斯被稱為“示范項目”,主要是為今后的海上風電站建設積累經驗。

1.2 北美海上風電產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

北美的風電產業(yè)近些年來發(fā)展非常迅速,尤其是美國和加拿大。隨著近年來全球清潔能源和可再生能源發(fā)展勢頭的日益強勁,美國加快了風電發(fā)展步伐,尤其是2006年以后發(fā)展速度較快,到2009年,風電總裝機容量達到35 159 MW,風力發(fā)電量占到總發(fā)電量的2.4%。但是,美國的海上風電發(fā)展較晚,作為美國首座海上風電場,美國東北部的鱈魚岬海上風電場(cape wind)經過9年之久,于2010年4月獲得美國政府的批準,該風電場總裝機容量為454 MW。近年來,美國也開始重視海上風電的發(fā)展,美國海上風電的發(fā)展目標首先鎖定淺灘,然后發(fā)展至深水;主要采用單機容量為5 MW或更大的風機。目前,皇后區(qū)西北面的長島電力局(long island power authority,L IPA)計劃在長島市南海岸開發(fā)140 MW的風電場。

加拿大的風能儲蓄豐富,近年來風電產業(yè)迅猛發(fā)展。風力機組安裝總量從1994年的19 MW發(fā)展至2006年1月的682 MW。目前,在B ritish Colum bia省的Queen Charlotte島,正在興建一個Nai Kum海上風電項目,該項目是北美海上風電項目中最大的一項,總容量達700 MW,與德國ABB New Ventures工程開發(fā)公司合作完成。先期階段的10個風電機已經在2005年完成安裝。將近680 MW的主體工程在2008年投入運行。

1.3 亞洲海上風電產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

亞洲的風電產業(yè)近年發(fā)展強勁,尤其是印度、中國和日本,在全球風電市場上都占有重要的一席。但是亞洲擁有海上風電場的國家目前只有中國和日本。

日本風電產業(yè)的發(fā)展起步晚,發(fā)展相當緩慢。目前,日本國內僅在北海道瀨棚町等地安裝了14套海上風力發(fā)電設備,發(fā)電量1.1萬kW左右,遠遠低于歐洲200萬kW以上的海上風力發(fā)電規(guī)模。2010年6月日本政府綜合海洋政策本部研究制訂的有關發(fā)展海上風力發(fā)電的“海洋可再生能源戰(zhàn)略”方案出臺。該方案提出,到2020年前,日本將安裝2 000套以上直徑為120 m的大型海洋風力發(fā)電設備,其發(fā)電能力相當于10座1 000萬kW以上的核電站。

2 國內海上風電發(fā)展現(xiàn)狀

我國海上風電起步較晚,2006年開始海上測風,2008年投資236億元建設了我國第一座大型海上風電項目——上海東海大橋海上風電項目,該項目安裝了34臺國產單機容量3 MW的離岸型風電機組,總裝機容量102 MW,該項目拉開了中國海上風電開發(fā)的帷幕。

我國擁有十分豐富的近海風資源,有數(shù)據(jù)顯示,我國近海10 m水深的風能資源約1億kW,近海20 m水深的風能資源約3億kW,近海30 m水深的風能資源約4.9億kW[2]。此外,由于我國東部沿海地區(qū)經濟發(fā)達,能源緊缺,開發(fā)豐富的海上風能資源將有效改善能源供應情況。開發(fā)海上風電已經成為我國能源戰(zhàn)略的一個重要內容。

我國已建及正在規(guī)劃建設中的海上風電場主要有上海東海大橋近海風電場、山東威海風電場、浙江岱山近海風電場、浙江杭州灣近海風電場、江蘇如東和江蘇東臺風電場等(表2)。

表2 中國部分海上風電項目規(guī)劃

2010年是我國海上風電事業(yè)發(fā)展的元年。國家能源局局長張國寶在《2010年能源工作總體要求和任務》中指出我國要繼續(xù)推進大型風電基地建設,尤其是海上風電要開展起來。隨后,國家能源局和國家海洋局聯(lián)合出臺了《海上風電開發(fā)建設管理暫行辦法》,使得政府和企業(yè)在開展海上風電規(guī)劃和投資時開始有章可循。

3 海上風電場用海中應該注意的有關問題

3.1 海上風電場選址的可行性

3.1.1 海上風電場的選址應符合海洋功能區(qū)劃的要求

由于海上風電行業(yè)在我國屬于新興行業(yè),發(fā)展較晚。根據(jù)各省功能區(qū)劃圖,適于建設海上風電場的海域基本上都區(qū)劃為淺海養(yǎng)殖區(qū)和捕撈區(qū)等。由于海上風機的單個基座面積較小,一般約占用海域面積400 m2,海上風電場建設除了在建設和維修時對養(yǎng)殖或漁業(yè)活動產生影響外,其他時期與工程區(qū)域的養(yǎng)殖或漁業(yè)生產功能相兼容。因此,在海上風電場選址時,應本著與海洋功能區(qū)劃相兼容的原則。

3.1.2 海上風電場選址區(qū)應有良好的外部依托條件

海上風電場選址區(qū)周邊交通運輸應該便利,能滿足風機及其配套設施的運輸要求;陸上配套設施要完善,為了降低能量損耗,要求風電場陸上升壓站距離已建的陸上電網接入變電站距離較近。

此外,由于國內風機安裝大部分采用整體吊裝,要求風電場周邊有靠近碼頭并有足夠承載力和工作面的陸上拼裝場地,為海上風電場施工提供良好的輔助作用。

3.1.3 選址區(qū)域的水文動力條件應該適宜風電場建設

海上風機比陸地風機運行荷載大很多。海上風機基礎具有重心高、承受水平力和彎矩較大等受力特點,且與海床的地質結構情況、波浪、海流、泥沙及冰荷載等諸多因素有關,因此在海上風電場選址時應開展隨機荷載模型和荷載相關性研究,確定風機的隨機荷載組合方法,計算風機的受力,為風機安裝后的穩(wěn)定性做好技術支撐。

此外,應根據(jù)海上風電場區(qū)的水動力條件,預測分析風機建成后海底的泥沙沖淤情況,并采取必要的沖刷保護措施。如,英國的Scroby Sands風力發(fā)電場位于受大型潮汐影響而成的多沙地帶,潮差有3 m,潮汐速度可達1.5 m/s。30年來,海床深度改變了8 m。巨大海床沉淀和可達6～8 m深的沖刷坑使得沖刷保護顯得非常必要,尤其是它對電纜的保護[3]。

3.2 風機基礎選擇的合理性

由于海洋中情況復雜、風機基礎選擇要綜合考慮離岸距離、水深條件、風浪等級、海流情況和海床地質結構等的影響。目前,海上風機基礎結構主要有重力固定式、樁基固定式和筒式基礎結構等[4-5],不同的結構形式適合不同的自然條件。

3.2.1 重力式

重力式基礎結構為鋼筋混凝土結構,靠自身重量和壓載物的重量穩(wěn)定坐落在海床上。重力式基礎結構簡單,造價低,抗風暴和風浪襲擊性能好,其穩(wěn)定性和可靠性是所有基礎中最好的。但是只適用不超過10 m的水域,因為所需基礎重量隨著水深的增加而增加,其經濟性會下降,造價反而比其他類型基礎要高。

3.2.2 樁基式

樁基式結構包括單立柱、單立柱三樁和四腿導管架結構等,一般適用于50 m以內水深。其中,單立柱基礎在已建成的大部分海上風電場應用最為廣泛。單立柱基礎樁體可以與塔架直接相連,也可以根據(jù)需要加裝過渡段。但是,這種結構對震動和不直度較為敏感,對設計和施工要求較高。單立柱三樁結構類似于海上油田常用的簡易平臺,三根樁通過一個三角形鋼架與中心立柱連接,風電機組塔架連接到立柱上形成一個結構整體,增加了基礎的穩(wěn)定性。四角導管架基礎采用的是海上油田常用的固定式平臺結構,剛度更大,穩(wěn)定性更好,但成本相對較高。

3.2.3 筒式

筒式基礎結構由一個中心立柱與鋼質圓筒組成,鋼質筒由豎直的鋼裙圍成。立柱與圓筒通過帶有加強筋的剪切板相連。圓筒基礎通過負壓安裝,由于筒內泥沙的重力作用,其承載原理與重力式基礎相似,中心立柱載荷通過剪切板分配到筒壁再傳人海床。這種結構的優(yōu)點在于節(jié)約鋼材用量和海上施工時間。一般適用于20 m以內水深。

3.2.4 浮置式

為了使海上風能利用克服海床底部安裝基礎受水深限制的缺點,向幾百米的深水域發(fā)展,國外出現(xiàn)了浮置式基礎結構的設計。主要有兩種方式:一種為漂浮式,由塔架、浮體和錨泊裝置組成,承載風電機組的浮置結構飄浮在水面上;另一種為半潛式,浮體結構位于海面以下,由錨泊系統(tǒng)固定,其上可安裝多臺風電機組。目前這種基礎結構仍處于研究階段。

3.3 海上風電場風機平面布置的合理性

風電場通過每臺風電機組把風能轉化為電能,風經過風電機組轉輪后速度下降并產生紊流,沿著下風向一定距離后才能消除前一臺風電機組對風速的影響。在布置風電機組時,充分考慮到風電機組之間相互的尾流影響,確定各風電機組的間距,把尾流影響控制在合理范圍內。風電機組間距的變大會使風電機組間的尾流影響降低,但同時也會降低對風能資源的利用率,增加機組間電纜的長度,增大電量損耗。海上風電場風電機組主要根據(jù)風電場內風能資源條件和海底地形地質條件進行布置,主要遵循如下原則。

(1)首先應充分考慮風電場所在海域周邊限制條件,如:航道、油氣管道和保護區(qū)等,在規(guī)劃允許的范圍內布置風電機組。

(2)根據(jù)場區(qū)內風資源分布特點,充分利用風電場盛行風向進行布置,合理選擇風電機組間距。

(3)布置時,既要盡量避免風電機組之間的尾流影響,又要減小風電機組之間的海纜長度,以降低配套工程投資和場內輸變電損耗。

(4)對不同布置方案,要按整個風電場發(fā)電量最大,兼顧各單機發(fā)電量的原則進行優(yōu)化。

(5)為了便于施工、維護和降低工程投資,同一風電場內的同期工程,盡量選用型號與單機容量相同的風電機組。

3.4 海上風電場運行與維護問題

海上風電場建成運行后需要進行維護工作,現(xiàn)有的海上風力機組運行與維護主要包括定期維護(檢察、清潔等)、故障維修(某種程度的故障檢修,如手動重啟或更換主要部件)和備件管理3部分。

關于風電機組的維護,在一個規(guī)模適中的陸上風電場通常擁有自己的運行與維護中心,對風電機組實施維護非常便利。據(jù)GARRAD HASSAN風能咨詢公司統(tǒng)計,通常機組的長期可利用率可達97%左右。每年每臺機組的平均運行和維護成本約為3萬歐元[6]。但對于海上風電場,尤其到達深水地區(qū)的機組進行維護工作就非常不易,運行風險也非常大。海上風電場的可進入性差,尤其是吊裝船不夠用,還缺乏訓練有素的專業(yè)人員,缺乏現(xiàn)成的維護基礎設施。相應的,機組的可利用率也低,電場的維護成本高于預期,相當于陸上風電場修繕費用的兩倍多。在海上風電場開發(fā)早期的項目成本計劃中,應該將風電場的運行與維護成本納入其中的重要組成。

4 結束語

經過10多年的發(fā)展,國外海上風電技術日趨成熟,已經進入大規(guī)模開發(fā)階段。而我國尚缺乏海上風電建設經驗,海上風能資源測量與評估以及海上風電機組國產化剛剛起步。目前我國的海上風電建設的管理程序比較復雜,沒有統(tǒng)一的管理部門和可執(zhí)行的管理規(guī)范來協(xié)調各部門之間的關系,海上風電建設技術規(guī)范體系也亟須建立。

海上風電的開發(fā)具有高投入和高風險的特點,海上風電的大規(guī)模發(fā)展不能急于求成,還需要一段摸索和示范的過程。隨著海上風電規(guī)劃的推動,我國海上風電的開發(fā)將邁入示范階段,相關管理規(guī)范也將逐步建立。

[1] 劉琦,徐移慶.世界海上風電投資分析[J].電器工業(yè),2009(6):45-47.

[2] 楊海霞.海上風電規(guī)劃拉開帷幕[J].中國投資,2009(3).

[3] 張蓓文,陸斌.Scroby Sands海上風電場:安裝和運行[EB/OL](2007-12-06)[2010-08-19].http://wenku.baidu.com/view/1a14d31dfad6195f312ba6e1.html.

[4] 肖運啟,賈淑娟.我國海上風電發(fā)展現(xiàn)狀與技術分析[J].華東電力,2010,38(2).

[5] 仲穎,鄭源,劉美琴,等.我國東南沿海海上風電場建設的探究[J].可再生能源,2010,28(3):140-144.

[6] 上海圖書館上海科技情報研究所.海上風電場運行與維護成本探討[J].第一情報·風力發(fā)電,2008(43).