海上風電的發展與挑戰

樊天慧 陳超核

海上風電存在著巨大的開發潛力，我國正處于近海規模化、深海試點化的關鍵階段，主要挑戰在于如何平衡技術可行性與經濟性要求。隨著技術成熟與近海資源開發程度的加深，浮式風機將是海上風電發展的主要方向。

國內外海上風電發展概況

為應對全球氣候變化和發展清潔能源，挪威、英國、丹麥、德國、美國、日本等國較早地研究、開發了海上風電技術。

自從丹麥建設了世界上第一個商業化意義的海上風電場，先進的國家電網成為其大力發展風電的網絡基礎。得益于獨特的地理位置，英國在發展海上風能一直處于全球領先地位，并不斷著力于加強對外合作及促進本土產業鏈發展。德國政府規劃到2030年全國用電量的65%來自于可再生能源，而發展海上風電是未來德國能源轉型計劃的重要戰略組成部分。截至2018年年底，美國進入規劃階段的海上風電項目總計約25GW，發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電建設潛在場址，并有望在2020年初開展第一次海上風電競標。挪威目前雖然沒有海上風電場，但在海工領域經驗豐富，并在全球范圍內涉足了大量海上風電項目，包括應用了浮式風機的英國蘇格蘭Hywind風電場。

我國陸上風機技術較為成熟，但海上風機起步較晚，尤其對浮式風電技術研究較少。2006年，海上風電被正式列入我國可再生能源板塊，但初期進展緩慢;2010年東海大橋項目的投產實現了我國海上風電零突破，此后，又進一步開展了試驗示范。但至目前為止，我國尚無海上浮式風電示范性工程項目和針對工業生產的專門研究和設計。

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

對于一些最早發展海上風電的國家，海上風電已經從當初的數值分析和試驗驗證階段跨入了大規模商業化開發階段，風機機組不斷大型化，風電的成本也在不斷下降。我國現有海上風電場多由固定式風機組成，浮式風機技術仍處于初級階段，主要面臨的挑戰在于提高可靠性和降低成本。

海上風機主要型式

相比與陸上風機，海上風機的設計、建造和運維難度更大。海上風機正常作業時，對支撐結構的穩定性和強度要求更為嚴格，處于復雜海洋環境中的風機系統不僅受到風、浪、流、冰等載荷的影響，還會產生多種載荷的耦合作用，受成本和技術的限制，風機基礎的選型對海上風電場的建設至關重要。

海上風機主要分為固定式風機和浮式風機。固定式風機基礎分為重力式基礎、單樁基礎、沉箱基礎、多樁基礎、導管架基礎等。相對于固定式風機，浮式風機適用于深遠海，這意味著所處海域有更強勁、更穩定的風能，可發展更大規模的風場，從而可降低發電成本。深海浮式風機對人類活動的影響也較小。另外，浮式風機的常規系泊系統適用大多數海床土壤情況，并且可以拆解，易于運輸、安裝。研究表明，水深大于50m時，浮式風機更具經濟性優勢。

浮式風機根據基礎型式的不同主要分為三種：Spar式、半潛式及TLP式，不同型式的風機適應水深和優缺點也不同。Spar式風機結構簡單且重量輕、垂蕩性能好，易于設計，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備進行海上作業，無法拖回港口修理。半潛式風機安裝水深靈活，可在港口裝配后拖航，但結構重量大且復雜、不易設計，一般需要配備昂貴的主動壓載系統。TLP式風機安裝水深靈活、結構重量輕、穩定性好，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，但錨泊系統載荷很大且安裝費用很高，需使用特殊設備進行海上裝配作業。

隨著技術成熟與近海資源開發程度的加深，浮式風機將是海上風電發展的主要方向。不同基礎型式的浮式風機發展現狀不盡相同，目前 Spar浮式風機已經搶占了商業運營的先機，大量半潛或類半潛浮式風機逐漸成熟，陸續進行了樣機測試和商業運營階段，TLP浮式風機尚未進入樣機測試階段，相關技術還未完全成熟。

國內外海上風電項目

目前，全球正在運營的總裝機量200MW以上的海上風電場有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電場是位于英國愛爾蘭海的Walney Extension風電場。該風電場2018年開始投入運行，面積約145平方公里，總裝機量659MW，能為59萬戶家庭提供電力。Gemini 風場是荷蘭最大的海上風電場，離岸約55km，2017年投入使用，總裝機容量為600MW，項目總建設成本約28億歐元。Gode Wind風場是德國最大海上風場，由Gode 1、Gode 2和Gode 3三個項目組成。三個項目總裝機量高達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 海上風場是丹麥最大海上風電場，位于北海丹麥海域。該風電場分三期建設，第一期于2002年投產，第二期于2009年投產，第三期于2019年投產。

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

我國最大海上風電場是濱海海上風電場，由國家電投江蘇公司投資開發建設。現階段我國主要海上風電重點項目包括：1、福清興化灣樣機試驗風場，這是國內首個5MW以上大功率機組試驗風場，引入了8家國內 外知名海上風機廠商的合作交流，突破了福建地區復雜地質條件下海上風電嵌巖基礎關鍵技術，實現了抗臺風大容量機組和海上基礎的首次應用。2、江蘇大豐300MW海上風電項目，這是國內首個8m大直徑單樁項目，率先采用了6.45MW大容量海上低風速大葉輪直徑機組試驗，也是國內在建離岸最遠、首個批量化使用復核筒型基礎的海上風電項目。3、陽西沙扒300MW海上風電項目，這是我國南海海域離岸距離最遠的海上風場，也是國內核準最快、首個浮式海上風電基礎示范的海上風電項目，布置了55臺5.5MW的大兆瓦風電機組，年發電量約8.4億千瓦時。4、樂亭菩提島300MW海上風電示范項目，這是我國北方在建的第一個海上風電項目，也是渤海第一個海上風電項目。場址區水深約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風電機組，其中36臺為高莊混凝土基礎，39臺為單樁基礎。5、上海臨港海上風電一期示范項目，這是上海繼東海大橋海上風電項目后第二個國家級海上風電示范項目。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個在建的海上風電項目。其中江蘇海域在建項目最多，7個風電項目總量約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機試點項目安裝，但國內的一些研究機構和高校已經在浮式風機的概念設計、數值分析和模型試驗的研究中取得了一定的進展。

海上風電的挑戰

相比傳統的海上石油平臺常常是單個存在，海上風電的建設都是批量化設計與施工，可以帶動一大批相關產業的發展，如鋼結構、機械設備、系泊系統、橡膠護舷等。另外，風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，推動產品國產化，力爭將研究成果盡快運用到實際工程中是我國發展風機技術的一大難題。

我國正處于近海規模化、深海試點化的關鍵階段，現階段應根據我國海上固定式風機的發展研究經驗，借鑒國外浮式風機開發特點，從點到面推進浮式基礎的建設，并在特定場址積極進行浮式樣機試驗風場建設，帶動浮式風電產業鏈的發展，為即將到來的海上風電建設熱潮奠定扎實有效的基礎和支撐。

海上風電的開發也使得海上運維能力得到了大幅提升。海上風電整機運維成本一般是陸地風電運維成本的2倍以上，國內海上風電項目運行周期大多為25年，海上風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電的一大難題。

相比于國外，我國在風機運維技術上還存在很多不足和挑戰。我國對風機運維技術的研究較短，運維經驗不足。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，現階段使用的運維船專業性、安全性、通達性、安全性較差。我國對于海上風電運維的標準規范較為缺失，目前尚無風電運維船舶的行業標準。研究開發智能化海上運維數據中心、打造海上運維產業、建立全生命周期的運維體系是未來海上風電運維發展的大方向，運維成本的逐漸下降對實現海上風電“平價上網”意義重大。