淺析海上風力發電的現狀及展望

宋育章

（加州大學河濱分校，美國 加州 92507）

風力發電是世界上發展最快的綠色能源技術。2019年，全球新增風電裝機量超過60GW，比2018年增長19%，總裝機容量達到650GW，比2018年增長10%。美國宇航局噴氣推進實驗室首席技術專家Paul Dimotakis表示，風能有可能提供世界未來能源的10%～15%。如果利用風力強的海洋區域來獲取風能，每平方米可能會收獲高達500～800瓦的風能。美國風能2020年將滿足電力需求的10%，2030年達到20%，2050年達到35%。海上風力渦輪機在世界許多地方發電。最大的海上風電場之一，由48臺渦輪機組成，位于丹麥和瑞典之間的波羅的海。專家估計，未來僅海上風電就可以在全球每年供應約5000太瓦時（TWh）的電力——約占全球年電力消耗量（約15500TWh）的1/3。為了確定潛在的風電場位置，學者根據NASA快速散射儀收集的數據繪制地圖，可測量世界海洋上的風速和風向。衛星通過大氣向海洋表面發送微波能量脈沖，并測量從風化表面反射回來的能量。本文就海上風力發電的現狀、優勢、支撐架構及產業配套等方面進行綜述和展望。

1 海上風力發電的概述

1.1 海上風力發電的優勢

海上風力發電作為一種可再生能源，發展迅速，前景廣闊，技術相對成熟，相較其他資源，如太陽能、風能及地熱能等，有以下優勢。首先，海上風能資源豐富且風能質量高，海上風速比陸上風速高，近海岸距離達到10km的海面風速通常是沿岸陸地上風速的1.25倍；海面表面粗糙度小，風切變較小，不需很高的塔架；其次，海上風湍流強度小，有穩定的主導鳳向，機組運行穩定，壽命長，一般是陸地風力機組壽命的3倍；再次，海上風的風速隨高度的變化小，且海面粗糙度小，風速的大小和方向一般變化較小；最后，海上風電機組距海岸較遠，視覺影響小，產生的噪音可忽略不計。

1.2 海上風力發電場選址

海上風力發電場的選址十分重要，選擇的地質稍有不慎會導致項目的失敗。進行選址時，需受到制約的因素眾多，如管制區域的限制、環境生態要求及風資源的條件等。選址的基本原則要考慮以下幾個方面：（1）風資源的類型、頻率和周期，海床的地質結構，海底的深度和最高波浪級別；（2）地理位置：避開航線和雷達及軍事設施，選擇接近陸地的地方并接近主要電網的中心，方便基礎工程實施；（3）極端情況考慮：地震類型及活躍程度、雷電等惡劣天氣的應對措施等；（4）環境影響：符合當地城市建設規劃與海洋資源的開發利用，考慮海上風力發電場對當地生態環境，水中生物以及旅游產業造成的影響等，盡量減少對漁業的影響。我國是能源消耗大國，可再生資源和新能源是我國未來能源建設方向，目前正在大力發展海上風力發電技術，目前已建成海上風力發電能源開發利用量超過20兆瓦，這種獨特的資源優勢對我國發展海上風力發電技術十分有利，可有效解決能源短缺問題。

1.3 海上風機的結構類型

海上風機結構類型一般分為以下四種，分別是單樁風機、重力式混凝土、沉箱多樁及吸力式風機。每種機械都有其獨特的優缺點。單樁風機受到海底地質條件和海水深度的影響，插入海床的深度與土壤的強度有關，安裝設備較為單一，一般安裝在海底10～25m的中等水域，優點是安裝簡便，無須海床準備，缺點是移動困難，需要較高的費用。重力式混凝土沉箱基礎結構體積較大，靠自身重量固定風機，優點是基礎結構簡單、造價相對比較低廉、抗風暴和風浪襲擊能力強、穩定性較高，缺點是在安裝時需要進行海地測量準備、施工時間長、運輸費用大。多樁式，通常是為三腳樁適合在深海進行建造，優點在于重量輕、施工方便，缺點是成本高。最后一種是吸力式沉箱基礎，它適合安裝在砂性土及軟黏土的地區，可以細分為單柱及多柱吸力式，優點為建造方法靈活，缺點為不穩定。海上風機基礎結構類型的選擇，取決于成本、水深、地質與海床條件和安裝條件等。

2 影響海上風力發電發展的一些因素

目前正處于海上風力發電發展的黃金時期，影響海上風力發電的因素主要有：海上風電機組的單機容量更大，制造技術變得復雜，工程建設成本較高，海上風電機組的運行和維護成本也很高。對海上風場成本影響較高的因素有：離岸舉例、水域深度、升壓站的位置、風機等基礎造價及人工費用等。此外，海上風電處于強腐蝕性的海洋環境，組件長期暴露在外，防腐蝕防護問題面臨巨大挑戰。而且，海上氣候環境惡劣且復雜多變，風電機組的吊裝、項目施工及運行難度大，需要加強氣候監測能力，科學制定吊裝和施工方案等應對措施。

3 我國海上風力發電的發展

《中國電力發展報告2016》顯示，我國風電規模已成為全國第三大電源，風力發電裝機容量達1.49億kW，占全國發電裝機總容量近10%。由于我國東部沿海地區海上風能資源豐富而常規能源缺乏，且工業基礎雄厚、經濟發達、環境保護要求高，因此，海上風能資源的利用尤為重要。據估計，5～50m水深、70m高度海上風電開發潛力約5億kW。近海風場的可開發風能資源是陸地上實際可開發風能資源儲量的3倍，未來發展空間巨大。我國海上風力發電最初開始于2007年中海油渤海，目前我國海上風電場已投產約38.9萬kW。里程碑式的是2010年上海市東海大橋10萬kW海上風電場，為亞洲首座大型海上風電場。此外，隨著國家對新能源資源的重視和工業水平的進一步發展，我國已具備開發建設海上風電的良好條件，未來具有健康、規模化的發展勢頭。

4 對未來海上風力發電的展望

海上風力發電產業的配套是風電開發規模發展的關鍵。美國目前正打算需要用風力渦輪機安裝船的特殊船只來達到擴大海上風力發電量的需求，截至2020年，全球只有32艘這樣的風力渦輪船船只。對于目前的情況，我國目前已有十幾種專業風電安裝船，未來也可以參考改進風力渦輪機安裝船，使海上風力發電更進一步，針對目前已有的幾艘海上風力發電船只的技術繼續發展。在未來的清潔能源領域可以實現后來居上，在能源短缺的問題上提供相應的解決措施。

5 結語

新能源的開發與利用有利于我國低碳社會和低碳經濟的發展，海上風力發電作為一種清潔能源，更是當前值得提倡的發展方向之一，陸地風力發電技術的不斷成熟促使風力發電技術的成熟，為海上風力發電技術的發展打下了堅實的基礎。在海上風力發電技術上的提高會使我們未來的用電成本進一步下降，也能讓海上風能得到進一步的利用。