中國海上風電發展現狀分析及展望

李志川 胡 鵬 馬佳星 高 敏 黃海龍 劉小燕 齊 磊 孫兆恒

(1. 中海油能源發展股份有限公司清潔能源分公司 天津 300459； 2. 中國海洋石油集團有限公司 北京 102209；3. 中海石油(中國)有限公司北京新能源分公司 北京 102209)

隨著中國經濟的快速增長，各行業對電力的需求量也急劇增加，2021年中國的總用電量達83128 TWh[1]，比2012年增長了近17倍。由煤炭等傳統化石能源提供的電力對環境造成的損害較大，而風能是一種清潔、可持續、環境友好型能源，具有巨大的開發前景與商業價值。海上風能具有風速大、穩定、切變小、噪音污染小、不占用土地資源、靠近電力需求、易于消納等優點，隨著海上風電場技術的不斷成熟，海上風電將成為中國可再生能源發電量的重要來源之一。

本文通過對中國風資源分布與儲量、海上風電總體概況、中國沿海主要省份風機發展現狀、基礎結構、水深與離岸距離等方面的分析，探討海上風電降本相關問題及中國未來海上風電的發展趨勢。本文研究成果可為中國海上風能資源的有效利用及未來風電場選址、設計、建造提供一定參考。

1 中國海上風資源分布及儲量

中國的海岸線狹長，可利用海域面積較為廣闊，海上風能資源較為豐富。中國近海70 m高度層平均風速可達8.1 m/s，平均功率密度572.6 W/m2[2]；渤海、黃海海區70 m高度層平均風速約6.4～8 m/s，略小于東海、南海7～10 m/s的平均風速；風力資源最豐富(6級及以上)的區域位于臺灣海峽，平均功率密度在700 W/m2以上[3-5],因此福建、浙江南部和廣東附近的近海地區是風力資源利用的黃金地段；長江以北地區的平均功率密度為400 W/m2～600 W/m2，其風力資源足以進行重大海上風電場開發，特別是浙江北部和江蘇地區。中國5～50 m水深，70 m高度層海上風能資源約為5×105MW，并且此部分風能資源不在航線范圍、捕魚影響范圍、三級以上臺風范圍內，深海區域的風電開發潛力更是不可限量。

2 中國海上風電發展現狀分析

中國海上風電的發展相比歐洲起步較晚。2007年，中國第1臺海上風電機組由中國海油在渤海灣綏中36-1油田建成發電；2010年，中國第1個海上潮間帶風電場示范項目——龍源如東海上(潮間帶)試驗風電場建成；2010年，中國第1個大型近海海上風電場——上海東海大橋海上風電示范項目建成，總裝機容量100 MW，風機總量34臺。

自2007年中國第一臺海上風電機組建成以來，中國海上風電技術發展得到了較大提高。2010年，中國海上風電占風電總裝機占比僅為0.3%(圖1[6])；2015—2021年，海上風電保持年均近60%的增長率，2018年新增裝機容量達1.73×103MW(圖2[6])；2020年，中國海上風電發展取得突破性進展，新增并網容量達3×103MW，累計裝機容量首次突破1萬MW大關達到1.09×104MW，同比增長54.7%，相較于2016年增長了570%；2021年，中國海上風電發展達到高潮，新增并網容量1.69×104MW，累計裝機容量2.78×104MW，在風電總裝機中占比達到35.5%，一躍成為世界第一大海上風電裝機量國家。

圖1 2010—2021年中國陸上和海上風電新增裝機容量占比[6]Fig.1 Proportion of new installed capacity of onshore and offshore wind turbine in China from 2010 to 2021[6]

圖2 2016—2021年中國海上風電新增和累計裝機容量[7]Fig.2 New and cumulative installed capacity of offshore wind turbine in China from 2016 to 2021[7]

2.1 海上風電機組制造企業裝機現狀分析

2021年，中國海上風電整機制造商前3名分別是上海電氣、明陽智能和金風科技，這3家企業合計裝機容量1.78×104MW，占累計裝機容量的64.1%，遠景智能、中船海裝與東方電氣分別位列第4～6位(圖3)。2021年為海上風電搶裝潮，各風電機組制造企業均加快海上風電吊裝，其中上海電氣通過與國際風電機組制造巨頭西門子進行產品許可合作，引入了后者成熟的海上風機技術及供應鏈體系，截至2021年累計裝機容量達8.29×103MW,占累計裝機容量的29.9%，穩居國內海上風機裝機容量首位。

圖3 2010—2021年中國海上風電整機企業累計裝機容量及占比Fig.3 Cumulative installed capacity and proportion of Chinese offshore wind turbine enterprises from 2010 to 2021

2.2 海上風電開發企業裝機現狀分析

中國風電開發商主要有4種類型：中央企業、省市自治區所屬的電力或能源企業、民營和外資企業、整機制造商。由于海上風電的技術壁壘和投資成本更高，因此海上風電的開發運營商類型較為單一，在已投入運營的海上風電場中，90%由國有大型企業所持有。

2020年以前，約占中國57.7%的海上風電場由中國五大發電集團(中國華能集團有限公司、國家電力投資集團有限公司、中國大唐集團有限公司、國家能源投資集團有限責任公司、中國華電集團有限公司)控股；2021年，在雙碳目標的持續推進以及海上風電搶裝潮的影響下，五大發電集團所占的海上風電市場份額減少，而六小發電集團(中國長江三峽集團有限公司、廣東粵電集團公司、中國廣核集團有限公司、國投電力控股股份有限公司、浙江省能源集團有限公司、華潤電力控股有限公司)所占的市場份額逐步提高[7-11]，所占市場份額已由2020年的17.9%增加至2021年的29.3%。截至2021年底，中國海上風電開發排名前5的企業累計裝機容量約1.6×104MW，占累計裝機容量的57.6%(圖4)。

圖4 2010—2021年中國海上風電開發企業累計裝機容量及占比Fig.4 Cumulative installed capacity and proportion of Chinese offshore wind turbine development enterprises from 2010 to 2021

2.3 海上風電風機發展現狀分析

2.3.1機組容量

2010—2021年,中國新增陸上和海上風電機組的平均單機容量見圖5[6]?？梢钥闯觯?014年開始，中國海上風電邁入了單機容量4.X MW的時代，相比2014年之前的主流3.0 MW以及2.X MW風電機組實現了較大提升；2020年，福建福清興化灣二期項目已完成對8 MW和10 MW容量海上風電機組的成功吊裝，標志著中國開始向大容量風電機組的研發進軍；2021年，中國海上風電平均單機容量達5.6 MW，相比2010年增長了115%。

圖5 2010—2021年中國新增陸上和海上風電機組的平均單機容量[6]Fig.5 Average unit capacity of new onshore and offshore wind turbines in China from 2010 to 2021[6]

2.3.2傳動系統

傳動系統結構的發展演變是風機技術進步的集中體現。傳統風機的傳動設計為葉片連接的主軸通過三級變速的齒輪箱與異步發電機相連，隨著風機單機容量的增大，齒輪箱的高速傳動部件故障問題將日益突出，于是沒有齒輪箱而將主軸與低速多極同步發電機直接相接的直驅式布局應運而生。但是，多極發電機因繞組布置空間的要求導致重量和體積的大幅增加。為此，采用折中理念的半直驅布局在大型風機設計中得到應用。自2018年開始，采用半直驅技術路線的風電機組在新增裝機中的占比逐年增加，截至2021年，半直驅技術路線占比已達31.1%，相較于2018年增長275%(圖6)。海上風電機組大型化是未來的發展趨勢，直驅技術由于受發電機體積、重量等限制而無法進行機組大型化，雙饋、鼠籠等技術由于受齒輪箱限制其單機功率無法進一步增大，而半直驅技術可以同時實現風電機組“大兆瓦、小體積”的目標，是未來發展的主流技術[12-16]。

圖6 2017—2021年遼寧、江蘇、上海、浙江、福建和廣東地區不同技術路線風電機組新增裝機占比Fig.6 Proportion of newly installed wind turbines of different technical routes in Liaoning,Jiangsu,Shanghai,Zhejiang, Fujian and Guangdong areas from 2017 to 2021

2.4 風機葉片發展現狀分析

圖7給出了2010—2021年遼寧、江蘇、上海、浙江、福建和廣東地區新增風電機組葉輪直徑的變化情況，可以看出，風機葉輪的直徑不斷增長。葉輪直徑的持續大型化，必然要求葉片尺寸的大型化，傳統葉片采用玻璃纖維復合材料制成，這種材料密度較大使得葉片重量較重。隨著中國風力發電機葉片生產商在成本控制、質量控制、工藝技術等方面研究的深化，新型材料碳纖維能夠在保持葉片大型化和輕量化的同時，提高葉片運行的可靠性，因而成為大型葉片生產應用的趨勢，如洛陽雙瑞風電葉片有限公司10 MW-SR210型超長柔性葉片采用碳纖維材料，已于2021年進行商業化生產，其葉片長度102 m，葉輪直徑210 m。

圖7 2010—2021年遼寧、江蘇、上海、浙江、福建和廣東地區新增風電機組葉輪直徑變化Fig.7 Impeller diameter of new wind turbines in Liaoning, Jiangsu,Shanghai,Zhejiang,Fujian and Guangdong areas from 2010 to 2021

2.5 海上風機基礎結構發展現狀分析

2.5.1基礎結構類型

1) 固定式基礎結構。

重力式固定基礎結構通過自身重量及較大的底部面積獲得來自海床的垂向承載力及水平摩擦力,一般為預制鋼筋混凝土結構[17]。重力式固定基礎結構的優點是造價成本低，并且無需在海底鉆孔和打樁。但重力式固定基礎結構要求海底地面平整，土質硬度大，受沖刷影響較小的海床，因此重力式固定基礎機構的安裝需要較多的準備工作(如海床夯實、基槽挖泥、基床拋石等)，這就限制了安裝速度并增加了成本。因而重力式固定基礎及結構一般僅限于水深<10 m的區域[18]，更適合潮間帶地區。

樁基式(單樁、三樁、多樁等)固定基礎結構在中國海上風電各基礎類型中占據了較大的比例，主要優點有：結構簡單，易于建造，無需過多前期準備；占用海床面積??；承載力高；結構穩定，沉降量小并且均勻；適應的海域范圍廣[19]。①單樁基礎由于其結構簡單、易于建造、無需過多前期準備等特點，是目前中國海上風電應用最廣泛的基礎類型。對于水深小于30 m的海域，單樁基礎一般被認為是最便宜的基礎設計[18]。②三樁基礎由三腿導管架發展而來，三樁的中心連接及其過渡段由風機塔架提供支撐,優點是基礎自重較輕，整個結構穩定性較好。③高樁承臺基礎是多樁基礎的主要類型，是根據中國獨特的海底環境而應用于海上風電的一種固定式基礎結構類型,高樁承臺不僅在柔軟的海床條件下足夠穩定，而且能夠在航線附近的風電場發揮獨特優勢。

負壓桶式固定基礎結構通過將水從桶中吸出產生真空，利用負壓將結構固定到海底，具有運輸安裝成本低、用時少、無需提前海底準備等優點。但負壓桶式固定基礎結構在易受沖刷海床安裝的風險較大，安裝過程中必須保證海域環境有足夠的負壓。

導管架式固定基礎結構通常由三條或四條樁腿支撐，包括雙傾、單傾、直式幾種形式，適用于20～50 m水深海域。因為導管架式固定基礎結構技術較為完備，具有承載力較大、生產供應鏈完善等優點。但導管架式固定基礎結構的焊接結構復雜，鋼材用量大，成本較高；同時導管架式固定基礎結構需要將樁錘打入海床，因而增加了安裝時間及相環境問題產生的可能性。

2) 浮式結構基礎。

浮式基礎結構主要適用于水深超過50 m的深遠海區域[18]，目前浮式風機的類型有40余種，主要以半潛式(semi-submersible)、立柱式(spar)、張力腿式(tension leg platform)3種型式最多[20]。立柱式基礎結構具有質量輕、結構簡單的優點，但是對水深具有一定的要求(一般>100 m)；半潛式基礎結構安裝水深范圍較大，但同時具有質量大、結構復雜的缺點；張力腿式基礎結構穩定性好，但其錨泊系統載荷較大，因此對錨泊材料要求較高。目前國際上以Hywind和Windfloat為代表的成熟浮式風電類型已實現商業化運行，中國首個浮式風電“三峽引領號”示范樣機也于2021年底并網發電。未來隨著技術進步和淺海資源的逐漸匱乏，浮式風電將會迎來巨大的發展。

2.5.2影響基礎結構類型選擇的因素分析

海上風電基礎的選擇受很多因素的影響。①海床條件：中國沿海典型海床上層(0～25 m)多為軟弱松散的泥質和粉質黏土，下層多為細粉質砂[21]，這種海床地質條件容易使海上風機基礎受湍流、惡劣氣象等影響而造成損壞。重力式固定基礎結構的安裝需要大量前期準備，因此在中國海上風機上的應用較少；樁基式、導管架式固定基礎結構對海床的條件要求較低，能夠適應大部分海域，因而在中國海上風機的應用較為廣泛。②水深條件：中國大部分海上風電建設在潮間帶及近海地區，水深較淺，因此大部分基礎結構都可以得以應用。③建設成本：基礎結構占海上風電場建設成本的20%～30%[22]，因而有巨大的降本潛力，不同位置的海上風電機組可通過選用合理的基礎形式和優化設計，達到減少鋼材使用和降低成本的目的。④安裝難易程度：海上施工環境復雜，因此選擇易于安裝的基礎結構類型可以減少施工時間，節約成本。

2.5.3不同地區基礎結構類型分析

通過遼寧、江蘇、上海、浙江、福建、廣東地區海上風機基礎類型統計數據[23-26](圖8)發現：①單樁固定基礎結構應用最為廣泛，其次為多樁基礎(主要為高樁承臺)；導管架式、吸力桶式固定基礎結構的應用也較多；重力式固定基礎結構因其繁瑣的海床準備工作等問題而應用較少。②遼寧、江蘇、廣東基礎形式以單樁基礎結構為主，分別占比68%、92%、55%；上海、浙江、福建基礎形式以多樁基礎結構為主，分別占比75%、63%、49%。值得注意的是，導管架基礎在福建、廣東兩省占比較高，分別占比為15%、34%，這是因為導管架基礎適宜安裝在水深大于20 m的海域，東海和南海平均水深較深，適宜安裝導管架基礎結構，如福建省漳州市漳浦六鰲海上風電場E區項目水深26～44 m，三峽福建長樂外海海上風電場A區項目水深32～42 m；三峽廣東陽江陽西沙扒五期海上風電場項目水深27 m，三峽廣東汕頭南澳洋東海上風電項目水深28.3～36.6 m。

2.5.4水深與離岸距離分析

海上風電場的位置涉及水深與離岸距離2個要素，直接影響風電機組安裝、運營、維護、退役相關成本及風電場整體發電量，因此海上風電場的位置是海上風電開發的關鍵。

圖8 遼寧、江蘇、上海、浙江、福建、廣東地區海上風機基礎類型及其占比Fig.8 Types and proportions of offshore wind turbine foundations in Liaoning,Jiangsu,Shanghai,Zhejiang, Fujian and Guangdong areas

中國海上風電機組多分布于離岸距離0～40 km、水深0～20 m平均水深17.6 m(圖9)。近些年，由于近岸地區資源減少及深遠海擁有更穩定、優質的風力資源，海上風電場正在向離岸更遠的地方移動并進入更深的水域，例如三峽廣東陽江青州五期海上風電場項目(預計2024年12月實現全容量并網)水深46.5～52.5 m，是目前中國水深最深的海上風電項目之一；三峽江蘇大豐H8-1海上風電場項目離岸距離72 km，是目前中國離岸距離最遠的海上風電場。

圖9 江蘇、浙江、福建、廣東地區海上風機離岸距離與水深Fig.9 Offshore distance and water depth of offshore wind turbines in Liaoning,Jiangsu,Shanghai,Zhejiang, Fujian and Guangdong areas

不同水深范圍不同基礎結構的占比見圖10。可以看出，單樁、多樁基礎結構數量隨著水深的增加而漸降低；吸力桶式、導管架式基礎結構數量隨著水深的增加而逐漸增加。隨著近岸資源開發趨于飽和，海上風電產業將逐步走向深遠海，單樁基礎結構的占比將會進一步降低，導管架基礎結構因其在深水海域的優勢，占比將會逐漸增多。

圖10 不同水深范圍海上風機基礎結構類型占比Fig.10 Proportion of offshore wind turbine infrastructure types in different water depths

3 結論及建議

1) 海上風電機組大型化可有效降低風機基礎、電纜、安裝、運維成本，因此海上超大功率風電機組將成為發展趨勢。直驅技術受發電機體積、重量等限制，無法進行機組大型化；雙饋、鼠籠技術受齒輪箱限制，單機功率無法進一步增大；半直驅技術可以同時實現風電機組“大兆瓦、小體積”的目標，將會成為未來發展的主流技術。

2) 隨著近岸資源的開發趨于飽和，海上風電產業將逐步走向深遠海，導管架基礎、浮式風電機組將會迎來較大的發展。

3) 隨著國家海上風電財政補貼的退出，海上風電已進入到平價時代乃至競價時代，通過集中連片規模化開發，可以有效降低開發成本。同時隨著海上風電總體規模的不斷加大，未來還會面臨送出和消納等問題，因此海上風電制氫、海洋牧場、海洋油氣聯合開發等融合發展模式也將是未來的發展趨勢。