我國海上風力發(fā)電的發(fā)展前景研究*

徐一波 ，鄢敉君 ，李 林

（江西師范高等專科學校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

太陽輻射地球表面后，各地氣溫的變化不一致，使得空氣里水蒸氣含量不一，進而導致各地氣壓出現(xiàn)差距，于是水平方向上表現(xiàn)為高壓側的空氣在壓強差的作用下向著低壓槽流動，形成了風[1]。

自古代起，人們就在嘗試利用風力資源，如公元644年出現(xiàn)的風力機，并以此為基礎制造了制油廠、鋸木廠、造紙廠、風力提水機等。歷史的車輪滾滾向前，近代，第一部風力發(fā)電機出現(xiàn)于1890年，由丹麥的物理學家拉庫爾首創(chuàng)。從此，風力發(fā)電走進了人們的視野，世界各國逐步都開始了對風力發(fā)電的研究與使用。表1是20世紀初至60年代末各國對風電機組的研制情況。

表1 各國于1900—1970年研制的100 kW級及以上的風電機組

隨著大型的水電機組以及火電機組的發(fā)展與使用，20世紀70年代之前研發(fā)的風電機組由于可靠性較差以及成本高昂等諸多不利因素而逐漸退出了歷史舞臺。但是，它們卻揭示了大中型風電機組在未來的發(fā)展?jié)摿Α?973年，石油危機爆發(fā)，可預見的不可再生能源匱乏問題使得清潔環(huán)保的風力發(fā)電重新回到了各國的視線，由于曾經(jīng)擁有的風力發(fā)電基礎，美、英、法、德、蘇聯(lián)、荷蘭、日本、丹麥、加拿大等國很快就制訂了新的風電發(fā)展計劃。自20世紀80年代起，全球各國的風力發(fā)電技術逐漸變得規(guī)范化、商業(yè)化。風電機組容量通常包括300 kW、600 kW、750 kW、850 kW、1 MW、2 MW等等。1991年，世界上第一個海上風力發(fā)電廠在丹麥建成并發(fā)電，該發(fā)電廠一共由11臺丹麥Bonus 450 kW單機構成，總裝機容量為4.95 MW。此后，英國、瑞典、荷蘭等也先后建立了海上風力發(fā)電廠。

2 海上風電現(xiàn)狀

放眼全球，海上風電的裝機主要集中在歐洲，到2020年為止，歐洲的海上風力發(fā)電裝機容量累計達24.8 GW，約占全球風電裝機容量的70.37%。其中，英國的海上風電總裝機容量首屈一指，長期占據(jù)世界第一的位置，總計10 206 MW，占全球海上風電裝機容量的41.09%，但在剛剛過去的2021年，英國的新增裝機容量出現(xiàn)大幅下滑，只有48 MW。

在2004年，廣東南澳開始著手建造我國首個海上風電場，裝機容量20 MW。之后的2005年，河北滄州黃驊港開發(fā)區(qū)管理委員會同國家能源集團國華能投共同建設裝機容量達1 000 MW的國內(nèi)第一個大型海上風電場。而現(xiàn)在，我國東部以及南部諸多沿海城市的海上風力發(fā)電機組已然建成或正處于建設中，國內(nèi)海上風電的逐年發(fā)展呈現(xiàn)快速增長的趨勢，如圖1所示，到2020年為止，全球累計海上風電累計裝機容量為34 370 MW，其中，我國擁有9 996 MW，位列全球第二。且在2020年中，全球海上風電新增裝機容量為7 125 MW，其中，我國共有3 060 MW的海上風電并網(wǎng)，位列全球海上風電市場的第一名。

圖1 2010—2020年全球海上風電新增裝機容量及累計裝機容量分析圖

3 海上風電的發(fā)展前景

就當前風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀而言，世界各國的風電依舊以陸上風力發(fā)電為首要目標，相比于陸上風力發(fā)電累計裝機容量，海上風電累計裝機容量還處在剛起步的階段。圖2是2015—2020年間海上風電和陸上風電的累計裝機容量變化對比圖。

從圖2中可以清楚地看出，海上風電與陸上風電的發(fā)展差距非常大，但增速卻更快。在2020年，陸上風力發(fā)電新增裝機容量達86 GW，較2019年，累計裝機容量漲幅為13.8%，而海上風力發(fā)電新增裝機容量為6 GW，較2019年，累計裝機容量漲幅達20.7%。

圖2 2015—2020年全球陸上風電與海上風電累計裝機容量

因為海上風力發(fā)電擁有風電資源充足、對日益匱乏的陸上土地面積資源需求較小，且比起陸上風電還有風速平穩(wěn)等先天優(yōu)勢，加上海上風力發(fā)電的效率較高、離經(jīng)濟發(fā)達用電需求大的沿海城市較近、大范圍建設海上風電機組的成本和海上風電的度電成本均越來越低、易于制造和安裝的漂浮式海上風電技術愈發(fā)成熟以及削減碳排放的需求愈發(fā)高漲，在可預見的未來里，海上風力發(fā)電將迎來屬于自己的新時代。

根據(jù)《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，“十四五”期間，將繼續(xù)推動非化石能源的蓬勃發(fā)展，力爭大幅增加風電的規(guī)模，海上風力發(fā)電的發(fā)展也將有序推進。當下，海上風電的建設面臨諸多問題：

1）國內(nèi)的風電消納能力問題，海上風電機組發(fā)出電能后，與就近的負荷需求難以協(xié)調(diào)一致，導致風電消納能力不足，進而產(chǎn)生棄風現(xiàn)象，浪費了資源，提高了用電成本。

2）近幾年國內(nèi)的風電裝機容量大幅提升，海上風電的新增裝機容量雖漲幅較大，然而相比陸上風電而言，還是有著非常大的差距[2]。

3）海上風力發(fā)電并不是完全無害的，風能是可再生的清潔能源，但在風力發(fā)電的過程中，風機運轉的時候不論是葉片還是機組都會產(chǎn)生噪聲污染[3]；而且風機葉片的轉動也會對候鳥遷徙造成難以避免的不良影響，風電機組的運行中，在發(fā)電、變電和輸電三個環(huán)節(jié)中均會出現(xiàn)電磁輻射[4]。

4）風電機組在并入配網(wǎng)的時候會出現(xiàn)電壓波及閃變、頻率變化、諧波產(chǎn)生、電壓跌落、造成配網(wǎng)中出現(xiàn)較高的沖擊電流等不利因素[5-6]，進而影響電能質量。而且，由于風能天然的不確定性，會導致風電出力具有隨機性及波動性，風電機組大規(guī)模并網(wǎng)將會對配網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質量的保障帶來挑戰(zhàn)[7]。

5）遠海風力發(fā)電有待進一步開發(fā)，遠海地區(qū)占海上風電資源的80%，然而國內(nèi)的遠海風電尚處起步階段，面前有著技術難關、成本高昂、相關產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟等諸多考驗。

就目前而言，智能制造是全球實業(yè)發(fā)展的大趨勢，不論海上風電還是陸上風電的智能化建設都需要依托“互聯(lián)網(wǎng)+”，結合人工智能和大數(shù)據(jù)應用技術，確保第一時間分析、研究、監(jiān)測、調(diào)整、排故等各項工作的進行[8]。未來的海上風電發(fā)展中，需要考慮風電的不確定性來規(guī)劃配網(wǎng)，確保風電并網(wǎng)順利[9]，并著力解決風電消納問題，協(xié)調(diào)供需平衡，確保電能質量，提升發(fā)電能力的同時也要提升遠距離輸電能力，將海上風電發(fā)出的電能輸送至內(nèi)地，在保證用電需求的同時減少火力發(fā)電。還可以通過發(fā)展儲能技術，如風電中應用最多的飛輪儲能技術來盡可能提升風電的利用效率，減少棄風現(xiàn)象[10]。

而且，伴隨著國內(nèi)第一臺漂浮式海上風電機組并入配網(wǎng)，標志著我國遠海風電的建設走向了正軌，通過技術研發(fā)、培養(yǎng)優(yōu)秀的管理體系以及大力扶持相關產(chǎn)業(yè)鏈（如風機葉片芯材的關鍵材料巴沙木的種植業(yè)）來降低發(fā)電成本，從而達到逐步取代低成本的傳統(tǒng)化石能源的目的。

4 結語

海上風力發(fā)電在減少碳排放、保證可持續(xù)發(fā)展、提高發(fā)電效率、保障用電需求等方面的優(yōu)勢十分顯著。目前，我國能源架構中，傳統(tǒng)火電依舊占據(jù)主導地位，伴隨著時代的變遷，海上風電將大規(guī)模開發(fā)布局，有望取代火電，成為國內(nèi)的能源新支柱。