海上风电的发展与挑战

樊天慧 陈超核

海上风电存在着巨大的开发潜力，我国正处于近海规模化、深海试点化的关键阶段，主要挑战在于如何平衡技术可行性与经济性要求。随着技术成熟与近海资源开发程度的加深，浮式风机将是海上风电发展的主要方向。

国内外海上风电发展概况

为应对全球气候变化和发展清洁能源，挪威、英国、丹麦、德国、美国、日本等国较早地研究、开发了海上风电技术。

自从丹麦建设了世界上第一个商业化意义的海上风电场，先进的国家电网成为其大力发展风电的网络基础。得益于独特的地理位置，英国在发展海上风能一直处于全球领先地位，并不断着力于加强对外合作及促进本土产业链发展。德国政府规划到2030年全国用电量的65%来自于可再生能源，而发展海上风电是未来德国能源转型计划的重要战略组成部分。截至2018年年底，美国进入规划阶段的海上风电项目总计约25GW，发展可再生能源的速度明显加快。日本政府选取11处海域作为未来海上风电建设潜在场址，并有望在2020年初开展第一次海上风电竞标。挪威目前虽然没有海上风电场，但在海工领域经验丰富，并在全球范围内涉足了大量海上风电项目，包括应用了浮式风机的英国苏格兰Hywind风电场。

我国陆上风机技术较为成熟，但海上风机起步较晚，尤其对浮式风电技术研究较少。2006年，海上风电被正式列入我国可再生能源板块，但初期进展缓慢;2010年东海大桥项目的投产实现了我国海上风电零突破，此后，又进一步开展了试验示范。但至目前为止，我国尚无海上浮式风电示范性工程项目和针对工业生产的专门研究和设计。

2018年，全球累计装机容量为591GW，同比增长9%;全球新增装机容量为51.3GW，同比下降4.0%，其中陆上装机占91.2%，海上装机占8.8%。2018年，我国（除港、澳、台地区外）海上风电新增装机容量约1.66GW，同比增长42.7%，累计装机容量约4.45GW，成为新增装机量最多国家。

对于一些最早发展海上风电的国家，海上风电已经从当初的数值分析和试验验证阶段跨入了大规模商业化开发阶段，风机机组不断大型化，风电的成本也在不断下降。我国现有海上风电场多由固定式风机组成，浮式风机技术仍处于初级阶段，主要面临的挑战在于提高可靠性和降低成本。

海上风机主要型式

相比与陆上风机，海上风机的设计、建造和运维难度更大。海上风机正常作业时，对支撑结构的稳定性和强度要求更为严格，处于复杂海洋环境中的风机系统不仅受到风、浪、流、冰等载荷的影响，还会产生多种载荷的耦合作用，受成本和技术的限制，风机基础的选型对海上风电场的建设至关重要。

海上风机主要分为固定式风机和浮式风机。固定式风机基础分为重力式基础、单桩基础、沉箱基础、多桩基础、导管架基础等。相对于固定式风机，浮式风机适用于深远海，这意味着所处海域有更强劲、更稳定的风能，可发展更大规模的风场，从而可降低发电成本。深海浮式风机对人类活动的影响也较小。另外，浮式风机的常规系泊系统适用大多数海床土壤情况，并且可以拆解，易于运输、安装。研究表明，水深大于50m时，浮式风机更具经济性优势。

浮式风机根据基础型式的不同主要分为三种：Spar式、半潜式及TLP式，不同型式的风机适应水深和优缺点也不同。Spar式风机结构简单且重量轻、垂荡性能好，易于设计，但安装水深受限（一般适用水深大于100m），需要使用重型浮吊等特种设备进行海上作业，无法拖回港口修理。半潜式风机安装水深灵活，可在港口装配后拖航，但结构重量大且复杂、不易设计，一般需要配备昂贵的主动压载系统。TLP式风机安装水深灵活、结构重量轻、稳定性好，可以在港口装配后拖航，具有良好的垂荡特性和摇摆运动特性，但锚泊系统载荷很大且安装费用很高，需使用特殊设备进行海上装配作业。

随着技术成熟与近海资源开发程度的加深，浮式风机将是海上风电发展的主要方向。不同基础型式的浮式风机发展现状不尽相同，目前 Spar浮式风机已经抢占了商业运营的先机，大量半潜或类半潜浮式风机逐渐成熟，陆续进行了样机测试和商业运营阶段，TLP浮式风机尚未进入样机测试阶段，相关技术还未完全成熟。

国内外海上风电项目

目前，全球正在运营的总装机量200MW以上的海上风电场有47个，其中英国和德国各16个、中国7个、丹麦4个、比利时3个、荷兰1个。 正在运行的最大海上风电场是位于英国爱尔兰海的Walney Extension风电场。该风电场2018年开始投入运行，面积约145平方公里，总装机量659MW，能为59万户家庭提供电力。Gemini 风场是荷兰最大的海上风电场，离岸约55km，2017年投入使用，总装机容量为600MW，项目总建设成本约28亿欧元。Gode Wind风场是德国最大海上风场，由Gode 1、Gode 2和Gode 3三个项目组成。三个项目总装机量高达900MW，其中Gode1和 Gode 2于2017年投入使用，投资成本为22亿欧元。Horns Rev 海上风场是丹麦最大海上风电场，位于北海丹麦海域。该风电场分三期建设，第一期于2002年投产，第二期于2009年投产，第三期于2019年投产。

对于海上风机的研究探索，国外许多国家已从对海上固定式风机过渡到了海上浮式风机开发利用阶段。目前，国际上约有40个浮式风机项目正在研发中，这些项目欧洲约占60%，其它集中在美国和日本。

我国最大海上风电场是滨海海上风电场，由国家电投江苏公司投资开发建设。现阶段我国主要海上风电重点项目包括：1、福清兴化湾样机试验风场，这是国内首个5MW以上大功率机组试验风场，引入了8家国内 外知名海上风机厂商的合作交流，突破了福建地区复杂地质条件下海上风电嵌岩基础关键技术，实现了抗台风大容量机组和海上基础的首次应用。2、江苏大丰300MW海上风电项目，这是国内首个8m大直径单桩项目，率先采用了6.45MW大容量海上低风速大叶轮直径机组试验，也是国内在建离岸最远、首个批量化使用复核筒型基础的海上风电项目。3、阳西沙扒300MW海上风电项目，这是我国南海海域离岸距离最远的海上风场，也是国内核准最快、首个浮式海上风电基础示范的海上风电项目，布置了55台5.5MW的大兆瓦风电机组，年发电量约8.4亿千瓦时。4、乐亭菩提岛300MW海上风电示范项目，这是我国北方在建的第一个海上风电项目，也是渤海第一个海上风电项目。场址区水深约5～15m，场址中心离岸距离约16km。该项目选用75台上海电气SWT-4.0-130风电机组，其中36台为高庄混凝土基础，39台为单桩基础。5、上海临港海上风电一期示范项目，这是上海继东海大桥海上风电项目后第二个国家级海上风电示范项目。利用海域面积约18平方公里，通过4根35千伏的海缆接入已建成的陆上集控中心。

截至2018年，我國共有23个在建的海上风电项目。其中江苏海域在建项目最多，7个风电项目总量约2107MW;福建海域包揽6个在建项目，总量约为1620MW;广东海域位列第三，共5个在建项目，总量约为1500MW;辽宁海域2个在建项目共计约600MW;河北海域有1个在建项目，总量300MW;浙江海域有1个在建项目，总量252MW;上海海域有1个在建项目约100MW。

我国目前还没有浮式风机试点项目安装，但国内的一些研究机构和高校已经在浮式风机的概念设计、数值分析和模型试验的研究中取得了一定的进展。

海上风电的挑战

相比传统的海上石油平台常常是单个存在，海上风电的建设都是批量化设计与施工，可以带动一大批相关产业的发展，如钢结构、机械设备、系泊系统、橡胶护舷等。另外，风电工程不同于石油工程，对工程造价十分敏感。如何打破国外的垄断技术，推动产品国产化，力争将研究成果尽快运用到实际工程中是我国发展风机技术的一大难题。

我国正处于近海规模化、深海试点化的关键阶段，现阶段应根据我国海上固定式风机的发展研究经验，借鉴国外浮式风机开发特点，从点到面推进浮式基础的建设，并在特定场址积极进行浮式样机试验风场建设，带动浮式风电产业链的发展，为即将到来的海上风电建设热潮奠定扎实有效的基础和支撑。

海上风电的开发也使得海上运维能力得到了大幅提升。海上风电整机运维成本一般是陆地风电运维成本的2倍以上，国内海上风电项目运行周期大多为25年，海上风电全生命周期成本大，运维成本约占21%。在提高运维可靠性、安全性的同时，降低运维成本也是海上风电的一大难题。

相比于国外，我国在风机运维技术上还存在很多不足和挑战。我国对风机运维技术的研究较短，运维经验不足。国外已建立起智能化运维平台，而我国对这块仍处于起步、探索阶段，现阶段使用的运维船专业性、安全性、通达性、安全性较差。我国对于海上风电运维的标准规范较为缺失，目前尚无风电运维船舶的行业标准。研究开发智能化海上运维数据中心、打造海上运维产业、建立全生命周期的运维体系是未来海上风电运维发展的大方向，运维成本的逐渐下降对实现海上风电“平价上网”意义重大。