北极地区风电资源的开发与利用

孙晨光 崔志飞 只 群 张郁静

（国网天津东丽公司天津300300）

北极地区风电资源的开发与利用

孙晨光 崔志飞 只 群 张郁静

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随着全球传统化石燃料的日益减少，温室气体大量排放，全球气温不断升高，能源危机日益严峻，清洁能源的应用被提升为国家战略。北极地区风电资源极为丰富，基于特高压交直流远距离输电技术，充分开发利用北极地区的风能，并与俄罗斯远东西伯利亚地区的水能、天然气等能源资源联合开发利用，实现基于清洁能源的全球能源互联网，促进全球能源优化配置。

北极风电；清洁能源；能源互联网；特高压

在风能、太阳能、潮汐能、生物能等新型清洁能源中，风电能是技术最成熟、基本实现商业化且最具开发潜力的可再生能源发电技术之一。预计到2050年全球风电装机容量将达到108.7× 108kW，占全球电力总装机容量的36.3%；随着风电技术的提高，风电发电量将达到24.2×108kW·h，占全球发电量的近30%。据世界能源理事会（WEC）估算，环北极地区处于大陆沿海或位于北冰洋，常年风速较高，年理论发电量、年技术可开发量分别占全球风能资源的18.5%、17.2%，风能资源丰富，具备成为全球清洁能源基地的资源条件。

1 风电场宏观选址

根据俄罗斯能源署《北极圈内和远东地区风电资源联合开发前景研究报告》所示，综合考虑平均风速分布、平均风功率密度、地质条件、土地用途、港口条件、输电线路等诸多因素，最终划定泰梅尔半岛、格达半岛及萨哈林岛北部区域为风电场宏观选址的第一批推荐区域。根据俄方的分析结果，这三个地区内风机发电额定功率利用率均在30%以上，部分地区理论最高额定功率利用率超过55.3%，对应最高年等效利用时长达4844h。每个区域可建设功率为50GW的吉瓦级风电场，可作为俄罗斯北极和远东地区优先开发风电场的地区。通过±1100kV特高压直流输电线路向南3000km经哈萨克斯坦进入中国新疆，与中国特高压网络链接，将源源不断的北极风电清洁能源输送到我国东部地区。

2 风电机组选型

北极风电场建议采用双馈型风力发电机组。双馈型风力发电机组的传动系统主要包括：风轮、主轴轴承、主轴、增速齿轮箱、联轴器、双馈型发电机，结合北极潜在风电场的风能资源情况，功率等级推荐采用西门子单机容量2.3MW、5MW的机型。由于北极地区风电场冬季可能出现-65℃～-70℃的极端低温，现有风电设备需进行相关适应性设计及采取专门措施来提高其耐寒性能。如金属材料中需增加提高金属冲击韧性的合金元（Ni：镍），润滑系统中考虑加装加热装置或开发专用的低温润滑油品，以及叶片除冰系统等。

3 风电场工程建设

北极地区风电施工难度较大，但不存在不可逾越的技术难题。在施工中应充分考虑北极高纬度地区环境气候特点，尽量选择在夏季施工，并做好施工方案及技术措施。

3.1 海基风电施工

破冰船可以在结冰的水面上开辟航道，用来运输基础装备和风机。在选择北极海域施工装置时，首先，必须要把极端的环境因素考虑在内，最基本的参数是气温、水深、海洋气象、环境条件和作业时间。其次，要充分考虑作业区域海冰的影响，比如主要的冰特征（岸冰、极地冰、冰山、浮冰）和冰的漂流速度。根据这些参数来选择施工装置、海冰控制系统、定位系统、施工装置组件，比如安装系统和水下设备、耐寒材料等，以确保海上风电施工装备的可靠性和完整性。

3.2 陆基风电施工

陆基风电施工难度较大，主要受到温度、风速、冰雪覆盖、地貌复杂以及环境保护等方面因素的制约。北极地区地面多为永冻层，机械行走如果有坡度，则存在侧滑可能。建议设计专业行走垫板，材质尽量轻，便于人员徒手操作铺垫，且垫板下面能够与地面雪或冰固定以防止侧滑。

据目前常规风机安装要求，塔筒吊装风力≥10m/s时不得进行吊装作业，机舱吊装风力≥10m/s时不得进行吊装作业，此外在风机吊装完毕进入安装环节，风力≥18m/s时不得进入风机进行安装作业；在北极地区施工需要新的工艺技术，适度放宽作业条件。此外，北极地区生态环境脆弱，应特别注意环境保护，将设备包装物、垃圾、生活垃圾等集中收集，必要时运输至指定地区进行处理。

4 风电场对当地生态环境的影响

工程施工行为会不可避免地扰动局部范围内的生态环境，例如使地面结皮或者压实地表，对地表植被产生一定的破坏，造成植被踏踩，致使依靠食草类为主的野生动物数量减少。风机噪声、风机布置对鸟类迁移等生物多样性产生一定的影响。还可能影响到栖息于沼泽湿地越冬的侯鸟类种群，并有可能形成局部草原的荒漠化。施工过程中产生的含油污水、污水及废气、扬尘，其排放方式的不当或任意排放，将会污染当地水体。机械车辆尾气，采暖生活用煤及施工扬尘将造成大气环境污染。施工期的取弃土场、砂石料场、施工营地的选择及布置不合理，或施工场地、施工机械、施工人员的违规操作及违法行为有可能对保护区的野兽动物活动产生一定的影响。

5 风电外送目标市场

5.1 近期目标市场

考虑到俄罗斯贝加尔湖水电及风电丰富，中亚五国也有丰富的风电和太阳能资源。设想近中期喀拉海首先通过±1100kV特高压直流输电至西伯利亚贝加尔湖附近，继续汇集部分水电和风电后接力输电至哈萨克斯坦，再由新疆进入中国，与中国特高压电网相联，最终将电能输送至东部沿海能源需求量巨大的经济发达地区。折算至跨国输电线路中俄分界点处的吉瓦级风电场发电成本不应超过0.41元/kW·h的电价水平。设想中远期喀拉海风电通过±1100kV特高压直流直接输送至我国新疆，汇集新疆当地清洁能源电量后，通过特高压交流网送电至东部负荷密集地区。

5.2 远期目标市场

北极风电外送远期目标市场主要包括东北亚、欧洲。东北亚（主要是中国、日本、韩国）电力需求总量大、增长快；欧洲电力需求总量大且资源贫乏，发展可再生能源的需求迫切。从地理位置看，亚洲和欧洲开发利用北极地区风电资源具有地理优势。

6 结语

北极地区风能资源丰富，可谓取之不尽的可再生能源宝库。随着特高压直流输电技术的成熟和不断提升，北极这一世界风能宝藏价值将不断凸显。开发北极风电、利用北极地区推进全球可再生能源开发与利用将成为人类能源史的里程碑。北极风电为人类能源环境的可持续发展提供了解决方案。开发及外送利用，对优化全球能源格局具有重要战略意义。

[1]许昌,钟淋涓.风电场规划与设计[D].水利水电出版社，2014:56-57．

[2]许轶.风电场项目前期工作实用手册[J].中国电力出版社，2011: 78-79．

[3]顾圣平,李晓英,王社亮．风电场技术经济分析[J].水利水电出版社,2015:102-106．

[4]Alexey Piskarev．Energy Potential of the Russian Arctic Seas:Choice of Development Strategy[D].Elsevier,2012,237-244.

孙晨光（1989—），男，天津，本科，专责，电力系统研究方向。

崔志飞（1987—），男，天津，本科，专工，高压输电研究方向。

只群（1987—），男，天津，本科，班长，电力市场营销研究方向。

张郁静（1984—），女，天津，本科，主任助理，电力市场营销研究方向。