漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展概述

文 | 上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 許移慶，張友林

自2009 年挪威首臺(tái)立柱（Spar式）漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組安裝以來(lái)，全球海上風(fēng)電迎來(lái)了漂浮式時(shí)代。從能源分布上看，海上風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，但面對(duì)苛刻的深遠(yuǎn)海環(huán)境條件，傳統(tǒng)固定式海上風(fēng)電在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上面對(duì)的挑戰(zhàn)急劇增加，歐美和日韓風(fēng)電巨頭逐步聚焦漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)。總體而言，漂浮式海上風(fēng)電市場(chǎng)經(jīng)歷了從小規(guī)模單臺(tái)樣機(jī)（2009―2015 年）到小型風(fēng)電場(chǎng)示范（2016―2022 年）的演變過(guò)程。

漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)展

一、單臺(tái)兆瓦級(jí)示范項(xiàng)目

在挪威Hywind demo 漂浮式樣機(jī)項(xiàng)目之后，涌現(xiàn)出眾多新的漂浮式基礎(chǔ)方案。部分方案完成了實(shí)尺度樣機(jī)的安裝，并開(kāi)展驗(yàn)證研究（見(jiàn)表1）。

（一）挪威Hywind demo 項(xiàng)目

Hywind 漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)方案是由挪威國(guó)家石油（Statoil 公司，2018 年更名為Equinor）借鑒海上漂浮式航標(biāo)的創(chuàng)意于2002 年提出，為立柱式基礎(chǔ)的代表。在經(jīng)歷了概念設(shè)計(jì)、分析理論的發(fā)展、縮尺模型的水池試驗(yàn)階段后，2009 年，Equinor 在挪威Karmoy 海域開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)全尺寸漂浮式機(jī)組的樣機(jī)項(xiàng)目，原計(jì)劃部署兩年，但至今仍在服役發(fā)電。

Hywind 項(xiàng)目中立柱式技術(shù)的特征包括：基礎(chǔ)內(nèi)部包含浮力艙和壓載艙，浮力艙位于基礎(chǔ)的上段，為上部風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒等結(jié)構(gòu)提供支撐浮力；壓載艙位于基礎(chǔ)的下段，通過(guò)裝載水、碎石或高密度混凝土進(jìn)行壓載，使系統(tǒng)重心位于浮心之下；基礎(chǔ)外部通過(guò)3 根錨索固定于水底，在水中形成“不倒翁”式結(jié)構(gòu)，具有無(wú)條件穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)周期長(zhǎng)、所受垂向波浪力小等優(yōu)點(diǎn)。

Hywind 項(xiàng)目技術(shù)方案的浮體吃水深，存在建造、安裝的局限。例如，應(yīng)用該基礎(chǔ)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)濕拖、扶正、系泊系統(tǒng)回接、海上壓載、海上機(jī)組安裝、整體調(diào)試等環(huán)節(jié)。由于挪威有條件良好的深水港灣，基礎(chǔ)的扶正、壓載可以在港灣內(nèi)進(jìn)行；但是在中國(guó)，上述所有作業(yè)都需要在開(kāi)闊海域進(jìn)行。

（二）葡萄牙WindFloat 項(xiàng)目

基于美國(guó)西雅圖的PPI（Principle Power, Inc）公司提出的WindFloat 三立柱半潛式海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)，2011年，EDP（Energias de Portugal）等企業(yè)在葡萄牙的Agu?adoura 近海安裝了首臺(tái)WindFloat 樣機(jī)，這是全球首個(gè)半潛式海上風(fēng)電樣機(jī)項(xiàng)目。樣機(jī)在5 年的驗(yàn)證階段，經(jīng)受住了超過(guò)17m 的巨浪以及30 m/s 大風(fēng)的惡劣天氣考驗(yàn)。2017 年，該項(xiàng)目以少于50 萬(wàn)歐元的成本拆除，充分體現(xiàn)出漂浮式機(jī)組在拆除方面的優(yōu)勢(shì)。

WindFloat 漂浮式機(jī)組技術(shù)采用非對(duì)稱浮體布置方案，機(jī)組塔筒偏置于其中一個(gè)浮體上。其技術(shù)特征包括：靜態(tài)壓載系統(tǒng)、主動(dòng)壓載系統(tǒng)和垂蕩板系統(tǒng)。其中，靜態(tài)壓載系統(tǒng)通過(guò)在3 個(gè)浮體內(nèi)部隔艙中裝載壓載水的方式，保障系統(tǒng)整體重心位于結(jié)構(gòu)的垂向幾何中心線上。主動(dòng)壓載系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整3 個(gè)浮體的排水和壓載水質(zhì)量，以補(bǔ)償風(fēng)速和風(fēng)向變化引起的機(jī)組運(yùn)動(dòng)。3 個(gè)浮體下端設(shè)置的垂蕩板結(jié)構(gòu)，使平臺(tái)在垂向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中增加了附加水質(zhì)量，進(jìn)而改變基礎(chǔ)的固有周期。

（三）法國(guó)FLOATGEN 項(xiàng)目

近年來(lái)，法國(guó)Ideol 公司開(kāi)發(fā)的阻尼池半潛式海上風(fēng)電機(jī)組解決方案受到廣泛關(guān)注。2018 年，由Centrale Nantes 和SEM-REV 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的FLOATGEN 項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)，場(chǎng)址水深為33m，采用Vestas 的V80-2.0MW 機(jī)組。運(yùn)營(yíng)以來(lái)，樣機(jī)表現(xiàn)優(yōu)異，2019 年共發(fā)電6GWh，下半年的可利用率達(dá)94.6%。

表1 單臺(tái)漂浮式樣機(jī)示范項(xiàng)目

該方案采用中空環(huán)形阻尼池技術(shù)實(shí)現(xiàn)類似減搖液艙的功能。技術(shù)特征包括：采用鋼筋混凝土材料建造環(huán)形基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)，既可以減少結(jié)構(gòu)的用鋼成本，又能夠降低基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)重心高度，保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；基礎(chǔ)采用6 條系泊纜繩與海底鏈接，保障平臺(tái)具有足夠的系泊安全冗余；基礎(chǔ)底部外圍安裝大面積的垂蕩板結(jié)構(gòu)，增加了基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)阻尼，能有效抑制平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)；基礎(chǔ)吃水淺，垂向特征尺寸小，對(duì)港口、航道和風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境水深的適應(yīng)性強(qiáng)，登船便捷，基礎(chǔ)平臺(tái)上作業(yè)空間較大，設(shè)施維護(hù)容易。

（四）日本GOTO 項(xiàng)目

除歐美外，日本在漂浮式海上風(fēng)電方面走在世界前列。自2011 年福島核電站因海嘯而發(fā)生核泄漏后，日本啟動(dòng)棄核計(jì)劃，并積極發(fā)展風(fēng)能等可再生能源。在豐富的海上風(fēng)能資源以及積極的政策支撐下，日本較早啟動(dòng)漂浮式機(jī)組的研發(fā)。2011 年，由日本環(huán)境省啟動(dòng)的GOTO 項(xiàng)目是亞洲首例全尺寸漂浮式機(jī)組樣機(jī)項(xiàng)目1: http://www.4coffshore.com/。它由戶田建設(shè)、富士重工、九州大學(xué)、日本海上技術(shù)安全研究所的聯(lián)合體實(shí)施，位于日本的長(zhǎng)崎縣五島市樺島（Kabashima）離岸1km、水深91m的海域，采用富士重工（其風(fēng)電業(yè)務(wù)板塊于2012 年被日立收購(gòu)）的2MW下風(fēng)向機(jī)組，基礎(chǔ)為長(zhǎng)76m、直徑7.8m的Spar 式結(jié)構(gòu)。樣機(jī)的五十年一遇設(shè)計(jì)浪高為8.4m，但試運(yùn)行不久即遭遇2012 年的第 16 號(hào)臺(tái)風(fēng) Sanba，成功抵抗9.5m 高的波浪。2015 年，完成樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)定這一漂浮式基礎(chǔ)的安全性好，且對(duì)環(huán)境影響小，可繼續(xù)營(yíng)運(yùn)。此后，樣機(jī)遷移至福江島東岸崎山?jīng)_（Sakiyama）近海約100m水深海域繼續(xù)運(yùn)行至今。

（五）日本Fukushima Forward項(xiàng)目

日本Fukushima Forward 漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)是安裝漂浮式樣機(jī)型式最多的示范項(xiàng)目，位于距離福島楢葉町沿岸約20km、水深約120m 的海域。目前，已經(jīng)安裝了1 臺(tái)2MW、1臺(tái)7MW 和1 臺(tái)5MW 機(jī)組，并安裝世界上第一個(gè)25MVA 的漂浮式海上升壓站，工程總投資188 億日元。其中，2MW 機(jī)組是日本日立公司（原富士重工的風(fēng)電業(yè)務(wù)板塊）生產(chǎn)的下風(fēng)向機(jī)組，風(fēng)輪直徑為80m，于2013 年11月11 日并網(wǎng)發(fā)電。7MW 機(jī)組是日本三菱生產(chǎn)的上風(fēng)向機(jī)組，風(fēng)輪直徑為167m，于2015 年7 月29 日拖至示范項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，2016 年8 月前并網(wǎng)發(fā)電。5MW 機(jī)組同樣是由日立公司生產(chǎn)的下風(fēng)向機(jī)組，風(fēng)輪直徑為126m，于2017 年3 月并網(wǎng)發(fā)電。

（六）其他建設(shè)中的項(xiàng)目

除上述進(jìn)入安裝運(yùn)行階段的樣機(jī)項(xiàng)目外，近年來(lái)，一些新型漂浮式基礎(chǔ)方案也逐步獲得示范核準(zhǔn)，并即將進(jìn)入樣機(jī)安裝階段。例如，丹麥

Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司從漂浮式機(jī)組基礎(chǔ)建造便利性的角度出發(fā)，提出了Tetraspar 漂浮式方案。它設(shè)計(jì)的同一套基礎(chǔ)構(gòu)件可滿足固定式、立柱式、半潛式、張力腿式多種工作模式的組裝要求，基于批量化、模塊化建造原則實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)成本的最大程度下降。目前，應(yīng)用該方案的樣機(jī)項(xiàng)目已完成核準(zhǔn)與融資，將于2020 年在挪威北海區(qū)域完成首臺(tái)西門子3.6MW 機(jī)組的示范應(yīng)用。此外，西班牙Saitec 公司將于2020 年基于其淺吃水雙體船漂浮式方案SATH 開(kāi)展樣機(jī)項(xiàng)目融資。瑞典SeaTwirl 公司將于2021 年建設(shè)1MW 垂直軸漂浮式樣機(jī)項(xiàng)目。德國(guó)GICON 公司將于2022 年基于其張力腿式方案建設(shè)樣機(jī)項(xiàng)目，采用西門子的2.3MW 機(jī)組。此外，三峽新能源公司也將于2021 年7 月在廣東省陽(yáng)江市沙扒鎮(zhèn)近海28km海域建設(shè)中國(guó)首個(gè)漂浮式機(jī)組項(xiàng)目，擬采用5.5MW 機(jī)組。

二、小批量示范項(xiàng)目

除上述已完成安裝的單臺(tái)樣機(jī)示范項(xiàng)目外，Hywind 技術(shù)憑借起步早、技術(shù)成熟度高的優(yōu)勢(shì)步入了小批量示范應(yīng)用階段。在葡萄牙和英國(guó)，WindFloat Atlantic 和Kincardine 項(xiàng)目分別采用WindFloat 半潛式機(jī)組技術(shù)，正在開(kāi)展小批量示范風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)。此外，近年來(lái)，法國(guó)逐步成為漂浮式海上風(fēng)電的后起之秀，政府核準(zhǔn)建設(shè)的小批量示范項(xiàng)目包括EolMed、Groix & Belle-Ile、Provence Grand Large（PGL）等（見(jiàn)表2）。

（一）已建成項(xiàng)目

Hywind Scotland 項(xiàng)目是目前僅有的已建成小批量漂浮式海上風(fēng)電的商業(yè)化項(xiàng)目。它于2015 年由挪威Equinor 公司與阿聯(lián)酋Masdar公司聯(lián)合發(fā)起，2017 年，基于第二代Hywind 漂浮式技術(shù)在英國(guó)蘇格蘭的北海區(qū)域建立。項(xiàng)目裝機(jī)容量為30MW，采用5 臺(tái)西門子的6MW 機(jī)組。基礎(chǔ)相對(duì)于Hywind demo 的立柱式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了主尺度優(yōu)化，水下浮體直徑增加至14.4m，吃水深度減小至78m，每套系統(tǒng)排水量為11200 噸。

（二）建設(shè)中項(xiàng)目

PPI 公司的WindFloat 半潛式技術(shù)雖然起步晚于Hywind Scotland 項(xiàng)目所用的立柱式技術(shù)，但適用于更寬的水深范圍，更符合市場(chǎng)的需求，目前已啟動(dòng)兩個(gè)小批量示范項(xiàng)目。位于葡萄牙的WindFloat Atlantic 項(xiàng)目由WindPlus 公司開(kāi)發(fā)，它由EDP Renováveis、Repsol S.A. 及PPI 三家企業(yè)聯(lián)合成立。項(xiàng)目裝機(jī)容量為25.2MW，采 用3 臺(tái)MHI Vestas 的V164-8.4MW 機(jī) 組。2019 年7 月，第一臺(tái)機(jī)組成功安裝，另外兩臺(tái)機(jī)組將于2020 年完成安裝及并網(wǎng)。

Kincardine 項(xiàng)目是繼Hywind Scotland 之后蘇格蘭海域的第二個(gè)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目，由Cobra 公司開(kāi)發(fā)，裝機(jī)容量為49.5MW，采用1 臺(tái)2 MW 和5 臺(tái)MHI Vestas 的V164-9.5MW 機(jī)組。第一臺(tái)漂浮式機(jī)組來(lái)自于WindFloat 項(xiàng)目的退役機(jī)組和基礎(chǔ)，現(xiàn)已并網(wǎng)發(fā)電，預(yù)計(jì)2020 年完成整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)建設(shè)。

（三）已核準(zhǔn)待建設(shè)項(xiàng)目

截至目前，已核準(zhǔn)待建設(shè)的小批量漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目均位于法國(guó)。其中，Groix & Belle-Ile 項(xiàng)目位于法國(guó)Brittany 海域，由EOLFI 和中廣核歐洲能源等企業(yè)組成的聯(lián)合體—FEFGBI 公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)。項(xiàng)目計(jì)劃安裝3 臺(tái)MHI Vestas 的V164-9.5MW機(jī)組，基礎(chǔ)采用Naval Energies 公司開(kāi)發(fā)的四立柱半潛式方案，基礎(chǔ)的上部浮筒采用鋼質(zhì)材料，下部采用混凝土材料。項(xiàng)目計(jì)劃于2022 年建成。

鑒于地中海良好的海洋波浪環(huán)境，法國(guó)的其他待建項(xiàng)目均位于這一海域。例如，EolMed 項(xiàng)目位于地中海Occitanie 區(qū)域，采用Ideol的阻尼池漂浮式基礎(chǔ)技術(shù)，裝機(jī)容量共24.8MW， 采用4 臺(tái)Senvion的 6.2MW 機(jī)組， 將于2020 年啟動(dòng)， 預(yù)計(jì)2021 年建成。Provence Grand Large 項(xiàng)目位于地中海Fose sur Mer 區(qū)域，由法國(guó)電力公司EDF Renewables 開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)安裝3 臺(tái)西門子歌美颯的8.4MW 機(jī)組，基礎(chǔ)采用SBM Offshore 和IFP Energy 聯(lián) 合開(kāi)發(fā)的新一代TLP 式方案—SBM WindFloater，預(yù)計(jì)2021 年正式運(yùn)營(yíng)。Eoliennes Flottantes du Golfe du Lion 項(xiàng)目位于地中海Leucate 近海區(qū)域，同樣由Engie 和EDPR 聯(lián)合開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)安裝3 臺(tái)MHI Vestas 的V164-10.0 MW 機(jī)組，基礎(chǔ)采用PPI 的半潛式方案WindFloat，預(yù)計(jì)于2022 年正式運(yùn)營(yíng)，屆時(shí)將成為單機(jī)容量最大的漂浮式機(jī)組。

表2 小批量漂浮式示范風(fēng)電項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

三、大批量商業(yè)化運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目

目前尚無(wú)進(jìn)入大批量商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段的漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目。根據(jù)現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，最早進(jìn)入該階段的漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目將是Hywind Tampen 風(fēng) 電 場(chǎng)。 它 由Equinor 公司開(kāi)發(fā)，位于挪威北海北部水深110m 的Tampen 海 域， 裝 機(jī) 容 量為88MW，安裝11 臺(tái)西門子歌美颯的SG 8.0-167 DD 機(jī)組，基礎(chǔ)采用Hywind 立柱式混凝土平臺(tái)方案。2019 年10 月，項(xiàng)目完成投資決策，預(yù)計(jì)于2022 年建成，屆時(shí)輸出的電能將滿足附近5 個(gè)海上石油平臺(tái)年用電量的35%。另外，根據(jù)美國(guó)和日本的漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，2025 年后將開(kāi)發(fā)400MW 級(jí)的項(xiàng)目，意味著屆時(shí)漂浮式海上風(fēng)電真正迎來(lái)大批量商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段。

挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

一、挑戰(zhàn)

十余年來(lái)，漂浮式海上風(fēng)電穩(wěn)步發(fā)展，同時(shí)也面臨一系列的技術(shù)和市場(chǎng)挑戰(zhàn)。這里依據(jù)英國(guó)Carbon Trust基金會(huì)對(duì)歐美漂浮式機(jī)組方案研發(fā)者開(kāi)展的問(wèn)卷調(diào)研，從機(jī)組成本下降空間、技術(shù)突破緊急程度、知識(shí)產(chǎn)權(quán)敏感性三個(gè)維度對(duì)漂浮式海上風(fēng)電的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行識(shí)別。表3 從13 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)對(duì)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目的影響程度進(jìn)行評(píng)分劃級(jí)，各技術(shù)點(diǎn)的打分區(qū)間為1～3 分。從漂浮式海上風(fēng)電成本下降空間的角度可見(jiàn)，歐美研發(fā)者普遍認(rèn)為支撐平臺(tái)的主尺度和結(jié)構(gòu)重量對(duì)項(xiàng)目建設(shè)成本的影響最為明顯，技術(shù)優(yōu)化的空間最大。此外，漂浮式海上機(jī)組的安裝技術(shù)、返港檢修運(yùn)維技術(shù)也具有較大的降本空間。在技術(shù)突破的緊急性方面，大多數(shù)挑戰(zhàn)被認(rèn)為具有較高的優(yōu)先級(jí)。值得注意的是，漂浮式升壓站技術(shù)雖然是一個(gè)較遠(yuǎn)期的事項(xiàng)，只有在商業(yè)化規(guī)模的項(xiàng)目中才有應(yīng)用的必要，但其對(duì)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目的成本降低存在重要影響。盡管直接降低成本的作用有限，但先進(jìn)仿真計(jì)算技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的近期技術(shù)挑戰(zhàn)，并可以幫助其他方面的成本下降。在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面，漂浮式支撐平臺(tái)、控制技術(shù)、系泊系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)具有較高的產(chǎn)權(quán)沖突挑戰(zhàn)，可以通過(guò)聯(lián)合項(xiàng)目或合作研發(fā)來(lái)應(yīng)對(duì)。

此外，漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)雖然經(jīng)過(guò)了樣機(jī)驗(yàn)證，但在市場(chǎng)推廣方面同樣面臨較多挑戰(zhàn)。在對(duì)漂浮式海上風(fēng)電的認(rèn)識(shí)方面，部分投資者建議在固定式海上風(fēng)電場(chǎng)充分開(kāi)發(fā)之后，再開(kāi)發(fā)深水漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)工業(yè)化后平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）的降低潛力缺乏信心。在漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目的資金投入方面，樣機(jī)項(xiàng)目的研發(fā)成本高昂，歐美金融機(jī)構(gòu)對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估偏保守，研發(fā)組織缺乏開(kāi)展高質(zhì)量數(shù)值模擬、物理試驗(yàn)的設(shè)備租金。在合作機(jī)制方面，創(chuàng)新者缺乏行業(yè)合作伙伴，難以尋找合適的海上試驗(yàn)場(chǎng)，并獲取并網(wǎng)許可。在政策方面，缺乏長(zhǎng)期的制度支持。

表3 關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)的優(yōu)先級(jí)劃分2:Carbon Trust. Floating Off shore Wind: Market and Technology Review [R]. Stamford Street 27-45, London, UK, 2015.

二、發(fā)展趨勢(shì)

（一）技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1. 機(jī)組

漂浮式海上風(fēng)電的發(fā)展受到機(jī)組、支撐結(jié)構(gòu)、輸配電技術(shù)的綜合制約。在機(jī)組選型方面，目前，所有的漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目均采用與固定式海上風(fēng)電通用的機(jī)型，這是由于當(dāng)前漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)尚處于發(fā)展初期階段，短期沒(méi)有大批量應(yīng)用的市場(chǎng)需求，整機(jī)廠商定制研發(fā)匹配于漂浮式基礎(chǔ)的機(jī)組將承擔(dān)較大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。隨著漂浮式海上風(fēng)電商業(yè)化市場(chǎng)的到來(lái)，機(jī)組的發(fā)展會(huì)呈現(xiàn)下列趨勢(shì)：

機(jī)組定制化。適用于傳統(tǒng)固定式基礎(chǔ)的機(jī)組對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)具有苛刻的要求，且不同類型的漂浮式基礎(chǔ)在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特征、固有頻率范圍的差別迥異，需開(kāi)發(fā)適用于特定漂浮式基礎(chǔ)的機(jī)組。

容量大型化。漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目趨于采用大兆瓦機(jī)組，進(jìn)而降低項(xiàng)目成本。例如，葡萄牙的WindFloat Atlantic 項(xiàng) 目 計(jì) 劃 安 裝3 臺(tái)MHI Vestas 的V164-8.4 MW 風(fēng) 電 機(jī) 組，蘇格蘭的Kincardine 項(xiàng)目正在安裝5臺(tái)MHI Vestas的V164-9.5 MW機(jī)組。

新的控制策略。當(dāng)漂浮式機(jī)組在高于額定風(fēng)速的條件下發(fā)電時(shí)，基于功率的控制目標(biāo)可能引起與風(fēng)速和風(fēng)輪俯仰角相關(guān)的負(fù)推力梯度，產(chǎn)生負(fù)的氣動(dòng)阻尼，并將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)放大到可能超過(guò)機(jī)組設(shè)計(jì)極限的水平。為了避免該現(xiàn)象的發(fā)生，需要對(duì)漂浮式機(jī)組的控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2. 支撐結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電項(xiàng)目的成本取決于所用支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。對(duì)于漂浮式海上風(fēng)電而言，支撐結(jié)構(gòu)的成本占比高達(dá)40%，同時(shí)還對(duì)降低系統(tǒng)其他部分的成本有重要影響。例如，可通過(guò)批量化制造、岸上裝配和調(diào)試，以及最大限度地減少昂貴的海上運(yùn)維作業(yè)等措施降低項(xiàng)目費(fèi)用。為實(shí)現(xiàn)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目的成本下降和推廣應(yīng)用，在支撐結(jié)構(gòu)方面將呈現(xiàn)以下技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：

方案多樣化。在對(duì)漂浮式基礎(chǔ)方案不斷進(jìn)行總布置、主尺度優(yōu)化的同時(shí)，近年來(lái)涌現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)特征鮮明、設(shè)計(jì)理念獨(dú)特的新型漂浮式基礎(chǔ)方案。如前文提及的Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司提出的TetraSpar 方案。

新材料的推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)漂浮式機(jī)組的結(jié)構(gòu)重心高、穩(wěn)性差，導(dǎo)致基礎(chǔ)主尺度和用鋼量難以降低。近年來(lái)，一些方案采用混凝土等高密度、低單價(jià)材料作為漂浮式基礎(chǔ)的主要建造或壓載材料，有效降低機(jī)組的重心，減少基礎(chǔ)的主尺度和建造費(fèi)用。

3. 動(dòng)態(tài)電纜

漂浮式機(jī)組基礎(chǔ)在波浪和風(fēng)的聯(lián)合作用下不斷移動(dòng)，電力電纜的連接點(diǎn)也隨之運(yùn)動(dòng)。這就要求開(kāi)發(fā)商和電纜制造商采用動(dòng)態(tài)電纜，以確保電纜上的周期性載荷和彎曲不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損害。動(dòng)態(tài)電纜的研發(fā)是漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)推廣的重要環(huán)節(jié)之一，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，動(dòng)態(tài)電纜將逐步應(yīng)用于漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目中。例如，裝機(jī)容量為25.2MW 的葡萄牙WindFloat Atlantic 項(xiàng)目采用海底電力電纜和臍帶電纜供應(yīng)商JDR 公司的動(dòng)態(tài)電纜，將是行業(yè)內(nèi)首次應(yīng)用66kV 的動(dòng)態(tài)電纜。

（二）成本發(fā)展趨勢(shì)

盡管仍處于預(yù)商業(yè)化階段，但漂浮式海上風(fēng)電被普遍認(rèn)為是未來(lái)海上風(fēng)電的可行技術(shù)，這得益于近年來(lái)一系列樣機(jī)的成功運(yùn)行。然而，平準(zhǔn)化度電成本是困擾漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展的重要因素。圖1 展示了各研究機(jī)構(gòu)和咨詢公司對(duì)漂浮式海上風(fēng)電平準(zhǔn)化度電成本發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)估，除了ORE Catapult 提供的數(shù)據(jù)之外，其他估算數(shù)據(jù)都是基于商業(yè)化規(guī)模的漂浮海上風(fēng)電場(chǎng)以及與成熟工業(yè)相匹配的行業(yè)收益學(xué)習(xí)曲線。圖中數(shù)據(jù)顯示漂浮式海上風(fēng)電的平準(zhǔn)化度電成本有望由2020 年的200 美元/兆瓦時(shí)左右下降到2030 年的70 美元/兆瓦時(shí)。

2015 年至2030 年期間的成本下降與漂浮式機(jī)組的部署實(shí)踐相關(guān)，包括單臺(tái)樣機(jī)項(xiàng)目階段（2015―2017年），多臺(tái)樣機(jī)小批量示范項(xiàng)目階段（2018―2022 年），中等批量到全面商用項(xiàng)目階段（2023―2030 年）。目前，漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)的成本數(shù)據(jù)是基于少量的樣機(jī)和處于設(shè)計(jì)或施工階段的項(xiàng)目測(cè)算的，故而技術(shù)進(jìn)步會(huì)導(dǎo)致該成本的大幅降低。此外，固定式海上風(fēng)電技術(shù)及其商業(yè)化發(fā)展經(jīng)驗(yàn)可能會(huì)被轉(zhuǎn)化至漂浮式海上風(fēng)電系統(tǒng)，因而美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的成本估算表明，漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目成本可能會(huì)比固定式海上風(fēng)電成本下降的速度更快，成本降低的途徑包括：充分利用固定式機(jī)組系統(tǒng)的降本、創(chuàng)新和經(jīng)驗(yàn)；充分利用現(xiàn)有的供應(yīng)鏈；優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使用更輕的組件和更多的模塊化功能；充分利用碼頭的機(jī)組和支撐結(jié)構(gòu)吊裝資源，減少海上施工的步驟和復(fù)雜性；借鑒海洋工程平臺(tái)成熟的批量化生產(chǎn)和制造技術(shù)；獲取優(yōu)于近岸的風(fēng)能資源。

圖1 漂浮式海上風(fēng)電平準(zhǔn)化度電成本發(fā)展趨勢(shì)預(yù)估3:Walter M., Philipp B., Paul S., et al. 2018 Off shore Wind Technologies Market Report [R]. U.S. Department of Energy, P.O. Box 62, Oak Ridge, State of Tennessee,USA, 2019.

結(jié)論

在全球海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢(shì)下，漂浮式海上風(fēng)電從研究逐步走向商業(yè)化應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)全球兆瓦級(jí)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)和分析，得到如下結(jié)論：

（1）漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目仍以單臺(tái)兆瓦級(jí)示范樣機(jī)為主。已建設(shè)的8個(gè)項(xiàng)目中，6 個(gè)為單臺(tái)兆瓦級(jí)示范項(xiàng)目。此外，尚有4 個(gè)單臺(tái)兆瓦級(jí)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目處于施工建造階段。

（2）越來(lái)越多富有創(chuàng)意的漂浮式基礎(chǔ)方案開(kāi)始進(jìn)入兆瓦級(jí)示范項(xiàng)目建設(shè)階段。例如，丹麥Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司的Tetraspar 多工作模式方案，西班牙Saitec 公司的SATH 淺吃水雙體船基礎(chǔ)方案等，均開(kāi)始樣機(jī)的建設(shè)。

（3）漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)日益成熟，商業(yè)化應(yīng)用前景可期。例如，裝機(jī)容量為30MW 的Hywind Scotland項(xiàng)目已并網(wǎng)發(fā)電，步入小批量示范風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用階段；裝機(jī)容量為88MW 的Hywind Tampen 風(fēng)電項(xiàng)目也完成了投資決策，將于2022 年完成建設(shè)。