海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究

萬宏 羅文東 謝國華

摘要： 風(fēng)能是一種可再生的潔凈能源，在新能源越發(fā)得到關(guān)注的情況下，風(fēng)能利用也被各國先后提上日程。以海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，分析中外有關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上研究其關(guān)鍵技術(shù)，包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建設(shè)區(qū)域選擇、資源評估、重點(diǎn)參數(shù)計(jì)算以及輔助性技術(shù)等。最后簡析海上風(fēng)電的技術(shù)難點(diǎn)，提出發(fā)展建議，為未來的風(fēng)電建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞： 海上風(fēng)電 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 通信活動 風(fēng)力資源

中圖分類號： TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0070-03

海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)簡稱海上風(fēng)電，是指以海上作業(yè)平臺為基礎(chǔ)、利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電的綜合性技術(shù)，其特點(diǎn)在于綠色無污染、可再生能力強(qiáng)。與地面風(fēng)力發(fā)電相比，海上風(fēng)力發(fā)電不存在噪聲、建設(shè)地形限制，這為其大規(guī)模運(yùn)用提供了空間。當(dāng)前，各國都在廣泛利用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，我國東南沿海各地也在嘗試?yán)蔑L(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，且收效良好［1］。從可持續(xù)發(fā)展、科學(xué)發(fā)展的角度出發(fā)，加強(qiáng)潔凈能源的利用已大勢所趨，《中華人民共和國可再生能源法》《關(guān)于完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》的頒行也為各地海上風(fēng)電系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展提供了明確思路。在此背景下，分析海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)具有一定的積極意義。

1 海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展情況

潔凈能源的利用始于西方，包括海上風(fēng)電技術(shù)。當(dāng)前，歐洲各國家和美國的海上風(fēng)電技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

20 世紀(jì)80 年代，石油危機(jī)以及環(huán)境污染等因素對發(fā)達(dá)國家的影響日漸突出，這也使發(fā)達(dá)國家更重視新能源的研究。到20 世紀(jì)90 年代，北歐和西歐一些工業(yè)強(qiáng)國開始大規(guī)模嘗試海上風(fēng)力發(fā)電，已知全球最早的海上風(fēng)電機(jī)組由瑞典建設(shè)并投入使用，命名為Windworld，其容量為220 kW。隨后，荷蘭和丹麥等國家先后組織海上風(fēng)電研究，這一階段的海上風(fēng)電機(jī)組主要集中于淺水區(qū)域，不超過海岸線100 m［2］。

進(jìn)入21 世紀(jì)，西方國家的海上風(fēng)電技術(shù)得到了有力發(fā)展，例如：瑞典開始投入15 MW 以上的風(fēng)電機(jī)組，位于丹麥哥本哈根附近的海上風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量超過40 MW，每年發(fā)電量在100 kW·h 以上。英國、德國、法國等國家的海上風(fēng)電技術(shù)也較強(qiáng)。2007 年，英國在其北方地區(qū)建設(shè)海上風(fēng)電機(jī)組，并利用北方多島嶼且氣壓波動大、風(fēng)力較強(qiáng)的優(yōu)勢進(jìn)行發(fā)電，部分發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到5 MW。在風(fēng)電系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)、海上風(fēng)電場施工建設(shè)、通信管理、電能輸配等方面，英國的技術(shù)較為先進(jìn)，且經(jīng)驗(yàn)豐富。德國主要在北方各地進(jìn)行海上風(fēng)電研究、系統(tǒng)建設(shè)，如不來梅等地［3-4］。

從發(fā)展、研究趨勢上看，國外對海上風(fēng)電的研究以擴(kuò)充單機(jī)組裝機(jī)容量、提升基礎(chǔ)建設(shè)水平、擴(kuò)展建設(shè)區(qū)域等為重點(diǎn)。西方國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)注也較高。一方面較強(qiáng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平能夠降低運(yùn)維成本、保障海上風(fēng)電作業(yè)平臺的安全性；另一方面包括輪葉設(shè)計(jì)、施工在內(nèi)，嘗試提升單臺發(fā)電機(jī)組的容量，也要求提升基礎(chǔ)建設(shè)水平，美國、德國等國家當(dāng)前均以此為重點(diǎn)組織海上風(fēng)電研究和系統(tǒng)建設(shè)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展情況

我國對風(fēng)力發(fā)電、海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)注，始于20世紀(jì)90 年代。2010 年，我國海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘恳欢瘸^美國，成為全球范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘孔畲蟮膰摇Ｎ覈嬖谳^多的陸上風(fēng)力發(fā)電廠，且相當(dāng)一部分海上和陸上風(fēng)力發(fā)電廠規(guī)模小、電損大，因此從發(fā)電能力和技術(shù)水平上看，與美國等發(fā)達(dá)國家的差距依然較大。

從資源利用情況上看，僅就海上風(fēng)電而言，我國海洋面積廣闊，能服務(wù)風(fēng)電發(fā)電的資源也較多。我國的海上風(fēng)電發(fā)電機(jī)組分布廣泛，北起遼寧，南至廣東、海南等均有分布。從特點(diǎn)上看，我國大部分海上風(fēng)電平臺、發(fā)電機(jī)組集中于近海范圍，不超過25 m 等深線。這一范圍內(nèi)的風(fēng)力水平雖然略遜于深海區(qū)域，但較陸地而言依然更具發(fā)電方面的利用價(jià)值。按照此前學(xué)者的研究，僅50 m 等深線范圍內(nèi)，我國海上風(fēng)電的中潛力已經(jīng)超過陸地風(fēng)電的3 倍，這為我國海上風(fēng)電發(fā)展提供了重要思路。我國利用風(fēng)力發(fā)電的省份和地區(qū)已經(jīng)較多，就海上風(fēng)電而言，上海、浙江和江蘇等經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)能力更突出，如上海早在20 世紀(jì)90 年代已經(jīng)嘗試進(jìn)行海上風(fēng)電系統(tǒng)建設(shè)，但技術(shù)并不完善，直到2010 年才完成第一個(gè)大型海上風(fēng)電場建設(shè)，即上海東海大橋海上風(fēng)電場。同年該風(fēng)電場完成并網(wǎng)發(fā)電，成為我國海上風(fēng)電技術(shù)的重要突破性項(xiàng)目［5］。

當(dāng)前我國海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢為加強(qiáng)統(tǒng)籌，并從技術(shù)夯實(shí)、擴(kuò)張的角度出發(fā)，尋求更大范圍的風(fēng)能開發(fā)和利用。按照國家政策，我國海上風(fēng)電發(fā)展的思路為“先易后難、由近及遠(yuǎn)、分期建設(shè)”，要求在近海區(qū)域擴(kuò)展海上風(fēng)電機(jī)組的建設(shè)規(guī)模，增加若干總裝機(jī)容量超過1 000 MW 的大型海上風(fēng)電場，再向深水區(qū)域做技術(shù)探索。《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法實(shí)施細(xì)則》的頒行，從海上交通管理方面對我國各地海上風(fēng)電平臺建設(shè)提出了更多要求，同時(shí)也對風(fēng)電發(fā)展的系統(tǒng)規(guī)劃提出了要求［6］。

2 海上風(fēng)電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)技術(shù)之一是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般而言，海上風(fēng)電系統(tǒng)工作流程是相似的（如圖1 所示）。對圖1 所示系統(tǒng)進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)風(fēng)力等級是影響和決定系統(tǒng)發(fā)電能力的關(guān)鍵。海上風(fēng)電的基本優(yōu)勢即在于風(fēng)力更強(qiáng)，便于帶動風(fēng)輪高速轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并網(wǎng)后用于發(fā)電。在此過程中，如果風(fēng)輪裝備不牢固、發(fā)電廠不能抵御風(fēng)力破壞，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢也無從談起。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要強(qiáng)調(diào)提升結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，應(yīng)對海上強(qiáng)風(fēng)破壞，同時(shí)其水下部分也要能夠應(yīng)對海水的腐蝕和水汽破壞。當(dāng)前得到普遍重視的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方式共有4 種，包括單樁固定式基礎(chǔ)、三腳架固定式基礎(chǔ)、重力固定式基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)。從特點(diǎn)上看，單樁固定適用于水下環(huán)境較簡單的近海區(qū)域；三腳架固定式基礎(chǔ)可適應(yīng)稍復(fù)雜的海洋區(qū)域；如果海水深度超過50 m，需要以重力固定式基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)；漂浮式基礎(chǔ)的施工方式簡單，但影響發(fā)電能力，如非必要多不宜采用。

2.2 建設(shè)區(qū)域選擇

按照我國標(biāo)準(zhǔn)以及國際慣例，在進(jìn)行海上風(fēng)電系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，建設(shè)區(qū)域選擇需要考慮6 個(gè)因素，即風(fēng)力水平、項(xiàng)目建設(shè)許可、海域使用權(quán)、海洋附近的電網(wǎng)以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況、場地可開發(fā)性、負(fù)面影響控制能力。從技術(shù)角度出發(fā)，后3 個(gè)要素的影響更突出，原則上需要對周邊的電力設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)分析，包括電壓等級、補(bǔ)償能力、并網(wǎng)技術(shù)條件、電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃、電網(wǎng)最大容量，在上述技術(shù)均滿足設(shè)計(jì)和建設(shè)要求的情況下，再進(jìn)行場地方面的有關(guān)分析。大部分海上風(fēng)電設(shè)施需要對海平面下的障礙物進(jìn)行清理，如果清理難度過大、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度高，一般不宜組織海上風(fēng)電設(shè)施建設(shè)。有部分地區(qū)的海平面下設(shè)施簡單、障礙物不多，但已經(jīng)被開辟為航道，或用于漁業(yè)、水下植物保護(hù)，即便技術(shù)上具有可實(shí)現(xiàn)性，也不能組織海上風(fēng)電設(shè)施建設(shè)。

2.3 資源評估

資源評估技術(shù)，即利用各類技術(shù)手段評估風(fēng)力資源可利用水平的技術(shù)，通常可以采用現(xiàn)場測量法、模擬評估法進(jìn)行分析。現(xiàn)場測量法一般以風(fēng)塔和浮標(biāo)為核心設(shè)施。在選定了海上風(fēng)電設(shè)施建設(shè)的大致區(qū)域后，可建設(shè)高度50 m 以上的風(fēng)塔，利用風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)力信息的采集，也可以采用10 m 高浮標(biāo)測風(fēng)設(shè)備進(jìn)行風(fēng)力信息的采集，并通過多個(gè)工作日收集的綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。如果采用超聲波雷達(dá)測風(fēng)儀、激光雷達(dá)測風(fēng)儀測風(fēng)獲取相關(guān)參數(shù)，效率可以得到保證，但精準(zhǔn)性往往略遜于現(xiàn)場測量法。模擬評估則強(qiáng)調(diào)建立信息化的作業(yè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)力水平的模擬分析以及可利用風(fēng)力的水平分析。

3 海上風(fēng)電技術(shù)的難點(diǎn)和發(fā)展建議

當(dāng)前海上風(fēng)電的技術(shù)難點(diǎn)包括通信難度大、運(yùn)維成本高、動態(tài)因素難以預(yù)知以及安裝難度大等。這些因素的存在有其客觀性，受到海洋環(huán)境等客觀因素的制約，無法得到根本控制。為了加以應(yīng)對，未來應(yīng)該對通信、運(yùn)維等工作進(jìn)行優(yōu)化，控制動態(tài)因素的破壞，調(diào)整安裝建設(shè)活動，并嘗試縮減成本。

在通信活動方面，主要強(qiáng)調(diào)在海上風(fēng)力工作平臺、陸上管理處進(jìn)行信息抗干擾管理，并適當(dāng)改善信息加強(qiáng)提純水平。在通信系統(tǒng)兩端使用放大器、提純器進(jìn)行信號處理，利用絕緣能力、抗干擾能力更強(qiáng)的材料進(jìn)行通信線路設(shè)計(jì)和建設(shè)，改善通信水平。運(yùn)維工作采用周期模式，利用大數(shù)據(jù)分析海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)施常見問題，并對其出現(xiàn)問題的時(shí)間、條件進(jìn)行評估，在問題出現(xiàn)前加以處理，控制運(yùn)維工作成本水平。動態(tài)因素管理思路與此相似，也強(qiáng)調(diào)借助大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)加以預(yù)測，以及提前給予干預(yù)。

4 結(jié)語

綜上所述，海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀良好，因其可再生、潔凈性優(yōu)勢得到普遍關(guān)注，有必要給予更多重視和完善。海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)牽涉基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建設(shè)區(qū)域評估、資源分析等，這要求在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上做好技術(shù)難點(diǎn)研究和突破。當(dāng)前海上風(fēng)電面臨著通信難度大、運(yùn)維成本高、動態(tài)因素難以預(yù)知、安裝難度大等技術(shù)瓶頸，未來應(yīng)重視通信技術(shù)優(yōu)化，對運(yùn)維成本進(jìn)行管理，在此基礎(chǔ)上控制動態(tài)因素的破壞，并對安裝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以進(jìn)一步發(fā)揮海上風(fēng)電的優(yōu)勢。

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