海上漂浮式風機發展調研及分析

陳明亮，楊朋飛，常 璐，徐洋洋

(華銳風電科技(集團)股份有限公司，北京 100872)

目前，世界上建成的海上風電場絕大多數為近海風電場，相對于傳統的海床固定式海上風電機組，漂浮式海上風電機組可以安裝到具有強風的遠洋深處，因此風能利用大幅提升[1]。全球80%的海上風資源位于水深超過60 m的海域，這對固定式基礎風機是巨大的挑戰，海上風電勢必會向深遠海發展。深遠海范圍更廣、風能資源更豐富、風速更穩定，且不會與海上漁場、航線等發生沖突，發展海上風電具有得天獨厚的優勢[2]。

據歐洲風能協會預測，到2030年底全球的漂浮式海上風電裝機容量將達到15 000 MW；英國碳信托(Carbon Trust)則直接給出2021年前將會建設的260 MW漂浮式海上風電項目。DNV GL指出，到2050年，12% 的全球主要能源供應將來自風能，其中20%來自離岸風電。到2050年，離岸風電將較2016年增長85倍。雖然大多數的漂浮式海上風電技術處于計劃樣機工程、實驗室研發或概念設計階段，仍舊面臨著證明技術可靠性和經濟可行性的風險和壓力，但海上風電向深遠海發展已是必然趨勢[3]。

1 漂浮式風機主要結構形式及特點

深遠海風電通常水深超過50 m，與近海相比，深海環境更加惡劣，對風機基礎、海底電纜、海上平臺集成等技術無疑提出了更嚴苛的要求[4]。在這樣的海域，以固定基礎的方式建設風電場，不具備經濟性優勢。與近海風電場相比，深海風力發電主要區別和難點更在于機組基礎型式[5]。因此，要走向風大浪高的深遠海，必須改變技術路徑。

漂浮式風機的分類主要依據基礎平臺的樣式。浮式基礎結構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形式，相關統計表明，當前全世界有30多種浮式風機概念，基本分為以下幾類：半潛形式基礎(semi)、Spar形式基礎(Spar)、張力腿式基礎(TLP)、駁船式基礎(Barge)以及混合概念式基礎[6-7]，外觀形狀如圖1。

Semi半潛式平臺主要利用不同浮筒的吃水體積來獲得復原力矩以維持平臺的穩定性。Spar平臺主要是通過壓載艙使整個系統的重心低至浮心之下來保證整個風機在水中的穩定，再通過懸鏈線來保持整個風機的位置。張力腿式鉆井平臺(TLP)是利用繃緊狀態下的錨索產生的拉力與平臺的剩余浮力相平衡的鉆井平臺，通過系泊纜的張力獲得穩定性。Barge平臺靠調節吃水線來維持平臺的穩定，力學方面和半潛平臺有相似之處[8-9]。它們的動力及安裝等特性如表1。

圖1 常見基礎型式圖

表1 常見漂浮式基礎特性表

目前，全球已有的漂浮式基礎如表2，具體樣式特點見圖2～圖13。

表2 已有漂浮式基礎型式統計表

圖2 Hywind spar 單柱式基礎圖

圖3 WindFloat漂浮式基礎圖

圖4 Ideol的阻尼池漂浮式基礎圖

圖5 Hywind spar 單柱式基礎圖

圖6 Hexicon的雙風機半潛式基礎圖

圖7 Naval Energies的漂浮式基礎圖

圖8 SBM的漂浮式基礎圖

圖9 Nautilus圖

圖10 Cobra的Semi-spar(半潛單柱式)基礎圖

圖11 SATH基礎圖

圖12 SOT Tetrospar基礎圖

圖13 P80基礎圖

2 全球漂浮式風機發展現狀

目前，除了由挪威國家石油公司開發的Hywind單柱式漂浮技術已實現小規模商業化之外，即將開工建設的小規模預商業化項目的還包括由PPI開發的Windfloat半潛式漂浮基礎，由Ideol開發的阻尼池半潛式漂浮基礎等。2021年前估計約有5～6種基礎概念設計跨入商業化階段。

2.1 歐洲漂浮式風機

在全球已建成和正在開發的漂浮式項目中，歐洲占據了3/4以上。表3是已經投產和即將投產的漂浮式風電場項目統計。

設計意圖：教師引導學生明確遺傳物質應該具有的特點，使學生能夠理解為什么當時科學家會認為蛋白質是遺傳物質。

表3 歐洲漂浮式風電場裝機統計表 MW

英國全球首個商業化運行的大型海上漂浮式風電項目“海溫德蘇格蘭漂浮式風30達式MW電場”已在英國海域投入運行。蘇格蘭金卡丁50MW漂浮式海上風電項目提供5臺9.5 MW V164風機，西班牙合資公司Navantia-Windar正在為金卡丁項目制造漂浮式基礎，其設計概念與葡萄牙WindFloat 24 MW漂浮式項目基本類似。Dounreay Tri將采用Hexicon概念，單個結構支撐2臺風機，風機由中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司提供，項目處于實施中。Atlantis項目預計采用Ideol的damping-pool，先做樣機，再做商業化，目前項目處于樣機建設階段。

目前，西班牙安裝了1臺歌美颯5 MW的海上風機；第2臺則是EnerOcean正在開發的漂浮式小型2葉片樣機，已在大加那利島附近的加那利群島海洋平臺測試場(PLOCAN)安裝。Flocan 5 Canary約在2020年投產25 MW漂浮式式風電場，基礎將采用semi-spar型式。

法國目前也計劃建造4座24 MW漂浮式示范項目，預計將在2020年至2021年之間安裝。一個項目位于大西洋，其余三個在地中海，它們分別是：由中廣核參與開發的Groix Belle Ile，安裝GE 6 MW風機，采用Naval Energies的漂浮式基礎；由ENGIE、EDPR等開發的Golfe du Lion，安裝GE 6 MW風機，采用PPI的WindFloat漂浮式基礎；由Quadran等開發的EolMed，安裝Senvion 6.2 MW風機，采用Ideol的阻尼池漂浮式基礎；由EDF等開發的Provence Grand Large，安裝西門子8 MW風機，采用SBM的漂浮式基礎。

葡萄牙WindFloat Atlantic漂浮式海上風電項目，全球首個半潛漂浮式海上風電商用項目正在建設中，基礎采用半潛式基礎。挪威在2009年部署了挪威石油的Hywind I樣機，瑞典在2015年部署了SeaTwirl樣機，隨后兩國的動作不大。荷蘭SBM Offshore公司設計的漂浮式風機基礎，連同其設計的系泊系統和商業化海上風機，一起獲得了美國船級社(ABS)的原則性批準。該基礎是法國Provence Grand Large項目的基礎型式。

西班牙漂浮式技術公司X1 Wind獲得400萬歐元資金支持，將其創新的漂浮式設計PivotBuoy推向市場，希望這項技術能在全球廣泛應用。X1 Wind將領導一個由9個合作伙伴組成的聯盟，其中包括EDP、ESM、WavEC、IntecSeA、丹麥技術大學、DNV GL和Degima，在加那利群島測試站點海洋平臺PLOCAN進行為期三年的試驗。這筆推廣資金主要來源于歐盟委員會的“Horizon 2020”項目，將用于確保在2020年對這種新型漂浮式模型進行測試，模型大約為實物的1/3大小。其樣式如圖14。

圖14 X1wind示意圖

2.2 亞洲漂浮式風機

中國大陸在2022年之前可能有至少3個浮式風機項目，它們分別在上海、福建、汕頭，但不確定性較大。Eolfi和Cobra計劃為臺灣建設5個500 MW漂浮式項目，包括計劃在2022年投產的W1N海上風電場，部署Ideol damping-pool基礎平臺的的可行性較大。

韓國國家石油公司在今年早些時候也啟動其漂浮式海上風電業務，計劃在其已有的東海油氣平臺附近建設200 MW漂浮式項目；另外，蔚山市也與多家國內外開發商簽訂了開拓漂浮式海上風電項目機會的協議。

日本2014年投產第一個漂浮式海上風電場(福島14 MW)后，福島先鋒項目共安裝了3臺形式不一的漂浮式風機和1座浮式變電站，包括1臺2 MW、1臺5 MW和1臺7 MW容量風機，總容量14 MW，是當時世界上最大的漂浮式海上試驗風場。其三種基礎形式包括2 MW緊湊型半潛式基礎Compact Semi-Sub，5 MW先進柱體式平臺基礎和7 MW V型半潛式基礎，如圖15所示。

圖15 福島項四種基礎型式圖

近期，日本新能源和工業技術發展組織NEDO開發Hibiki漂浮式風電項目，該示范項目采用法國Ideol阻尼池漂浮式基礎，頂部安裝1臺德國Aerodyn 3.2 MW 2葉片風機，如圖16。Ideol和Acacia正計劃在2023年投產大型商用漂浮式海上風電項目，與此同時PPI也與三井造船株式會社合作開發該領域的項目。

圖16 日本Hibiki項目圖

2.3 美洲、澳洲、非洲漂浮式風電開發情況

美國葡電新能源(EDPR)準備在加利福尼亞附近海域開發一個漂浮式海上風電項目；在夏威夷，Alpha Wind也計劃開發2個400 MW的漂浮式海上風電場，并將采用8 MW風機及Windfloat半潛式基礎。

澳大利亞政府剛剛有意開發“南部之星”近海風電場，深遠海風電場的開發還沒有計劃。

非洲各國目前暫無開發漂浮式風機計劃。

3 結 語

1)第一個商業化運行的漂浮式風電場蘇格蘭海溫德風力發電場的運行經驗將為后續漂浮式海上風電項目提供重要的參考價值，將推動全球漂浮式海上風電快速發展。

2)一些漂浮式基礎平臺技術應用進入成熟階段，如Hywind-spar、Windfloat和Ideol damping-pool，并將在多個漂浮式風電場中應用。

3)目前歐洲是全球浮式風機發展最迅速，漂浮式海上風電技術最為領先地區。

4)歐洲許多漂浮式風機已經進入商業化運營階段；亞洲的日本進入樣機示范階段，其他地區還在計劃當中；美國漂浮式風電場的建設同樣在計劃當中；全球其他地區暫無計劃。

5)全球漂浮式風機的技術的發展與當地的經濟發達程度密切相關；當地經濟水平同樣影響著漂浮式風電場的發展計劃，這主要是目前漂浮式風電場高昂的建設成本所致。由于深遠海漂浮式風機現在開發成本巨大，所以對于經濟比較落后的地區，對漂浮式風電場的開發還是相當謹慎。海上漂浮風電場面臨的真正挑戰不是機組規模，而是通過技術進步和削減建造成本來提高競爭力，促進漂浮式風機的發展。

6)現階段，我國的海上風電規劃大都位于水深<50 m的區域內，個別項目已經達到了固定式基礎和漂浮式基礎經濟性的臨界點，未來海上風電必將向更深更遠的海域發展。現在，中國在浮式風機領域的技術水平和研發能力還較低，因此漂浮式技術將必須攻克。我國科技部和地方政府目前也在對漂浮式技術方面的課題項目給予支持和資助，以期在漂浮式技術方面躋身世界前列。