欧洲海上风电发展趋势分析及启示

文 | 朱小毅

欧洲海上风电发展趋势分析及启示

文 | 朱小毅

近年来，欧洲海上风电产业发展取得巨大成就。据欧洲风能协会（EWEA）统计，截至2016年6月底，欧洲共有11个国家的82个海上风电场在运，累计装机容量达到11.5GW，占全球海上风电总装机容量的91%。本文通过梳理欧洲所有海上风电场关键指标的发展状况，以及海上风电相关专利的授权情况，分析判断海上风电发展趋势，对我国发展海上风电具有一定的启示意义。

欧洲海上风电建设情况

一、单机容量

除受部分年份投产机组较少或少量大容量试验机组的影响外，海上风电机组平均单机容量呈逐年上升的态势（见图1）。2015年，欧洲投产的海上风电机组平均单机容量达到3.98MW，较上年增大0.51MW，较2010年的水平增大40.1%；2016年上半年则继续增大到4.48MW。目前，英国、德国和丹麦均有100MW以上的大型海上风电场，全部使用6MW机组；而7MW的大容量机组已建成投入试验。

二、风电场面积

2012年之后，随着大量100MW级以上大型海上风电场的建成，风电场面积大幅上升。2015年，欧洲海上风电场平均面积为36.3km2，2016年上半年则继续增大到49.3km2（见图2）。目前面积最大的海上风电场是2012年建成的英国Greater Gabbard项目，面积达到146km2。尽管近年新增装机容量保持增长，但风电场面积并未呈现同比例增长态势，亦印证了大容量机组技术日臻成熟并逐步投入商用。

三、离岸距离和水深情况

风电场离岸距离是另一个近年大幅增长的指标。2007年之前，绝大多数海上风电场都分布在离岸10km以内的海域，而随着海上安装和运维技术的提高，海上风电场呈现离岸越来越远的趋势（见图3）。2015年，欧洲新建的项目平均离岸距离为38.4km，同比增加28%；2016年上半年则增加到41.8km。目前最远的德国Global Tech 1期风电场离岸距离达到115km。

离岸距离的变远通常也会导致水深的增加（见图4）。2015年新增装机的平均水深为22.9m，是2009年平均水深的两倍。目前已建成最深的两个风电场都是试验示范工程，分别是位于葡萄牙的WindFloat（50m）和英国的Beatrice（45m），两者分别采用半潜式平台和导管架式基础。

四、单位千瓦造价

近年来，欧洲海上风电单位千瓦造价并未随着技术的提高而明显降低（见图5）。2015年，单位千瓦平均造价为3990欧元，较2010年增加40.5%。这主要是由于随着离岸距离和水深的增加，建设和运维成本大幅增加。目前，单位千瓦造价最高的是2013年建成的德国Bard Offshore 1期风电场，其装机容量为400MW，位于离岸101km、水深40m的海域，吊装了80台5MW的机组，造价高达7250欧元/千瓦。同时，它的工程总投资达到29亿欧元，也是已建成海上风电场中总投资额最高的。

五、基础类型

单桩式基础始终是市场主流，截至2016年上半年，单桩式基础占市场份额的79.4%，而早期常见的重力式已逐渐淡出。近年三脚架式和导管式基础技术逐步成熟并投入使用，其他类型的基础还未被大范围商用（见图6）。

海上风电专利授权情况

一、技术功效矩阵

本文将海上风电的关键技术分解成为机组、基础、功率调节和传输、海上施工、评估、多技术集成和其他等7个维度的35个项目（T1－T35），并选取了20个常见的功效（F1－F20），如表1所示，基本覆盖海上风电研究的技术范围和发展趋势。

本文将1976年以来，美国专利商标局和欧洲专利局收录的所有与海上风电相关的381个专利，按照技术功效矩阵进行筛选和分类，将其绘制在技术功效矩阵图上（如图7所示）。

经统计，海上风电专利授权数量最多的技术分别是机组运输和安装、漂浮式基础、塔筒、多技术集成和系泊系统。而最常见的研究目标是降低成本、改进安装方式、革新设备运输方式、减轻重量和提高可靠性（如表2所示）。

表2　海上风电专利技术和功效占比排序

二、机组运输和安装

在机组运输和安装（T29）方面，大约2/3的专利都与施工船的设计有关，体现了施工船的研发对海上风电发展的重要性。其研究的主要目标是降低成本（F1）、改进安装方式（F18）、革新设备运输方式（F17）、大浪保护（F6）和提高可维护性（F16）。主要研究方向包括机组的整体运输和吊装；使用专用设备实现精准打桩；风电场的运维服务及个人安全保障等方面。

三、机组基础

随着海上风电项目水深向越来越深的方向发展，漂浮式基础（T23）具有较好的技术性和经济性，它的主要研究目标是革新设备运输方式（F17）、改进安装方式（F18）、降低成本（F1）、减轻重量（F2）和提高发电量（F13）。该基础通行的设计理念是将机组在岸上组装后出海吊装，并简化机组设计，从而减少对专用安装船的依赖。对于西北太平洋国家，还加强了对抗台风和海啸的设计考虑。

四、塔筒

与塔筒（T12）有关的主要研究目标依次是降低成本（F1）、改进安装方式（F18）、减轻重量（F2）、提高可靠性（F12）和提高可维护性（F16）。这方面的研究包括将塔筒和基础直接相连以减少连接件的成本；增强塔筒对抗强风的能力；加强下风向机组的设计以减轻偏航系统的重量。除此以外，材料的变革也是相关研究的重点，从而减轻塔筒重量并增强耐盐性。

五、多技术集成

本文将未详细指明具体机组部件或综合多种技术的专利归结到多技术集成（T34）。主要的研究方向是提高储能能力（F14）、提高发电量（F13）和降低成本（F1）。例如，将太阳能、波浪能和海洋热能等与机组基础集成，从而提高能量使用效率。另一个常见的思路是利用机组转化的能量电解海水或压缩空气以达到储能的目的。此外，还有一些专利分析了海上风电与海水养殖的可利用性。

六、系泊系统

系泊系统（T32）的发展是开发深海能源的基础，主要分为悬链式和张紧式两种系统。根据悬链的数量和位置关系，又可细分为多种系泊方式以应对不同的海况和海床条件。它主要研究目标分别是降低成本（F1）、改进安装方式（F18）和减轻重量（F2）。

海上风电趋势分析

机组技术持续改进。目前，欧洲4MW－6MW机组已相对成熟并逐步普及，而6MW－8MW大功率机组已在试验阶段，并会在近年陆续推出投入商用。海上风电的机组技术大多数是由陆上风电改良而来。由于文献统计学的限制，一部分同时适用于陆上风电和海上风电的专利未被列入分析范围。但需注意的是，机组技术的改进永远是风力发电技术进步的根本。诸如变桨变速功率调节技术、双馈异步发电技术、直驱式全功率变流技术、轻质量机舱设备及塔筒等机组核心技术将得到迅速发展。

表1　技术功效矩阵图编号定义

离岸距离和水深逐步扩展。随着近海可开发的资源逐渐减少，风电场对航道、渔业的影响加深，以及海洋运输、安装、维护技术的不断进步，海上风电产业势必向深海挖掘能量。欧洲已有离岸距离超过100km、水深超过40m海上风电机组的成功实践，未来离岸距离和水深方面必将有更大突破。

单位千瓦造价稳中有降。尽管近年海上风电单位千瓦造价较早年有所增加，但随着机组技术的进步、安装和运维水平的提高、以及周边相关技术的集成，海上风电造价水平将会有所下降，并逐步与其他能源利用形式形成竞争。

基础结构适用性增强。早期的海上风电基础以单桩式和重力式为主，而近几年海上风电基础结构开始更加多样化，以适应不同海床条件、水深情况以及机组和环境因素。随着离岸距离和水深的拓展、以及系泊系统的研究，漂浮式基础将会得到更加广泛的应用。

风电场建设和运营水平逐渐成熟。随着风能资源测试和评估软件的开发、专用施工船的应用、轻质化风电机组的研究等，海上风电场在微观选址、整机吊装、远程监测等建设和运营方面的能力将日益提高。

对我国海上风电发展的启示和建议

健全海上风电市场激励政策。海上风电在欧洲的成功实践，与相关国家完善的市场机制和政策支持密不可分。我国尽管于2014年6月发布了《关于海上风电上网电价政策的通知》，但截至2016年7月底，尚未明确2017年（含）之后的上网电价，使得风电开发企业承担了较高的收益风险。此外，还应综合利用补贴、税收、融资等多种激励和扶持政策，支持海上风电产业健康发展。

完善管理部门之间的协调机制。海上风电项目开发流程复杂，涉及能源、海洋、航运、渔业、环保、港口、军事、文化等多个归口管理机构。各地方、各部门发展思路存在差异，协调难度大、工作周期长，一定程度上制约了海上风电的发展。应进一步统一思想，理顺审批流程，建立部门间的协调机制，提高工作效率，降低海上风电开发成本和风险。

加强深海风力发电技术研究。从欧洲海上风电的趋势看，发展深海风电是可行且必要的。我国海上风电起步较晚，当前仍以潮间带和近海开发为主。应提早谋划，适时启动深海风能资源探测和海床地质条件勘察工作，开发适应深海气候的风电机组，加大漂浮式基础的研究。

注重科研投入和人才培养。与欧洲传统强国相比，我国缺乏海上风电核心技术和高层次的专业人才，设计、施工、运维人员大多从陆上风电承接而来，欠缺专业性和海上实际经验。我国应鼓励适当引入外国投资者，积极参与海外项目并购，带动我国海上风电人才培养。同时，鼓励海上风电开发企业和科研机构加大产学研合作，紧密跟踪国际海上风电研发动向，创新开发适应我国海域环境的风电设备和施工方式。(作者单位：中国长江三峡集团公司发展研究院）