海上漂浮式风机发展调研及分析

陈明亮，杨朋飞，常 璐，徐洋洋

(华锐风电科技(集团)股份有限公司，北京 100872)

目前，世界上建成的海上风电场绝大多数为近海风电场，相对于传统的海床固定式海上风电机组，漂浮式海上风电机组可以安装到具有强风的远洋深处，因此风能利用大幅提升[1]。全球80%的海上风资源位于水深超过60 m的海域，这对固定式基础风机是巨大的挑战，海上风电势必会向深远海发展。深远海范围更广、风能资源更丰富、风速更稳定，且不会与海上渔场、航线等发生冲突，发展海上风电具有得天独厚的优势[2]。

据欧洲风能协会预测，到2030年底全球的漂浮式海上风电装机容量将达到15 000 MW；英国碳信托(Carbon Trust)则直接给出2021年前将会建设的260 MW漂浮式海上风电项目。DNV GL指出，到2050年，12% 的全球主要能源供应将来自风能，其中20%来自离岸风电。到2050年，离岸风电将较2016年增长85倍。虽然大多数的漂浮式海上风电技术处于计划样机工程、实验室研发或概念设计阶段，仍旧面临着证明技术可靠性和经济可行性的风险和压力，但海上风电向深远海发展已是必然趋势[3]。

1 漂浮式风机主要结构形式及特点

深远海风电通常水深超过50 m，与近海相比，深海环境更加恶劣，对风机基础、海底电缆、海上平台集成等技术无疑提出了更严苛的要求[4]。在这样的海域，以固定基础的方式建设风电场，不具备经济性优势。与近海风电场相比，深海风力发电主要区别和难点更在于机组基础型式[5]。因此，要走向风大浪高的深远海，必须改变技术路径。

漂浮式风机的分类主要依据基础平台的样式。浮式基础结构组成要素主要包括锚链、锚、浮箱。每种要素的不同形式能组合成很多种浮式基础形式，相关统计表明，当前全世界有30多种浮式风机概念，基本分为以下几类：半潜形式基础(semi)、Spar形式基础(Spar)、张力腿式基础(TLP)、驳船式基础(Barge)以及混合概念式基础[6-7]，外观形状如图1。

Semi半潜式平台主要利用不同浮筒的吃水体积来获得复原力矩以维持平台的稳定性。Spar平台主要是通过压载舱使整个系统的重心低至浮心之下来保证整个风机在水中的稳定，再通过悬链线来保持整个风机的位置。张力腿式钻井平台(TLP)是利用绷紧状态下的锚索产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台，通过系泊缆的张力获得稳定性。Barge平台靠调节吃水线来维持平台的稳定，力学方面和半潜平台有相似之处[8-9]。它们的动力及安装等特性如表1。

图1 常见基础型式图

表1 常见漂浮式基础特性表

目前，全球已有的漂浮式基础如表2，具体样式特点见图2～图13。

表2 已有漂浮式基础型式统计表

图2 Hywind spar 单柱式基础图

图3 WindFloat漂浮式基础图

图4 Ideol的阻尼池漂浮式基础图

图5 Hywind spar 单柱式基础图

图6 Hexicon的双风机半潜式基础图

图7 Naval Energies的漂浮式基础图

图8 SBM的漂浮式基础图

图9 Nautilus图

图10 Cobra的Semi-spar(半潜单柱式)基础图

图11 SATH基础图

图12 SOT Tetrospar基础图

图13 P80基础图

2 全球漂浮式风机发展现状

目前，除了由挪威国家石油公司开发的Hywind单柱式漂浮技术已实现小规模商业化之外，即将开工建设的小规模预商业化项目的还包括由PPI开发的Windfloat半潜式漂浮基础，由Ideol开发的阻尼池半潜式漂浮基础等。2021年前估计约有5～6种基础概念设计跨入商业化阶段。

2.1 欧洲漂浮式风机

在全球已建成和正在开发的漂浮式项目中，欧洲占据了3/4以上。表3是已经投产和即将投产的漂浮式风电场项目统计。

设计意图：教师引导学生明确遗传物质应该具有的特点，使学生能够理解为什么当时科学家会认为蛋白质是遗传物质。

表3 欧洲漂浮式风电场装机统计表 MW

英国全球首个商业化运行的大型海上漂浮式风电项目“海温德苏格兰漂浮式风30达式MW电场”已在英国海域投入运行。苏格兰金卡丁50MW漂浮式海上风电项目提供5台9.5 MW V164风机，西班牙合资公司Navantia-Windar正在为金卡丁项目制造漂浮式基础，其设计概念与葡萄牙WindFloat 24 MW漂浮式项目基本类似。Dounreay Tri将采用Hexicon概念，单个结构支撑2台风机，风机由中国船舶重工集团海装风电股份有限公司提供，项目处于实施中。Atlantis项目预计采用Ideol的damping-pool，先做样机，再做商业化，目前项目处于样机建设阶段。

目前，西班牙安装了1台歌美飒5 MW的海上风机；第2台则是EnerOcean正在开发的漂浮式小型2叶片样机，已在大加那利岛附近的加那利群岛海洋平台测试场(PLOCAN)安装。Flocan 5 Canary约在2020年投产25 MW漂浮式式风电场，基础将采用semi-spar型式。

法国目前也计划建造4座24 MW漂浮式示范项目，预计将在2020年至2021年之间安装。一个项目位于大西洋，其余三个在地中海，它们分别是：由中广核参与开发的Groix Belle Ile，安装GE 6 MW风机，采用Naval Energies的漂浮式基础；由ENGIE、EDPR等开发的Golfe du Lion，安装GE 6 MW风机，采用PPI的WindFloat漂浮式基础；由Quadran等开发的EolMed，安装Senvion 6.2 MW风机，采用Ideol的阻尼池漂浮式基础；由EDF等开发的Provence Grand Large，安装西门子8 MW风机，采用SBM的漂浮式基础。

葡萄牙WindFloat Atlantic漂浮式海上风电项目，全球首个半潜漂浮式海上风电商用项目正在建设中，基础采用半潜式基础。挪威在2009年部署了挪威石油的Hywind I样机，瑞典在2015年部署了SeaTwirl样机，随后两国的动作不大。荷兰SBM Offshore公司设计的漂浮式风机基础，连同其设计的系泊系统和商业化海上风机，一起获得了美国船级社(ABS)的原则性批准。该基础是法国Provence Grand Large项目的基础型式。

西班牙漂浮式技术公司X1 Wind获得400万欧元资金支持，将其创新的漂浮式设计PivotBuoy推向市场，希望这项技术能在全球广泛应用。X1 Wind将领导一个由9个合作伙伴组成的联盟，其中包括EDP、ESM、WavEC、IntecSeA、丹麦技术大学、DNV GL和Degima，在加那利群岛测试站点海洋平台PLOCAN进行为期三年的试验。这笔推广资金主要来源于欧盟委员会的“Horizon 2020”项目，将用于确保在2020年对这种新型漂浮式模型进行测试，模型大约为实物的1/3大小。其样式如图14。

图14 X1wind示意图

2.2 亚洲漂浮式风机

中国大陆在2022年之前可能有至少3个浮式风机项目，它们分别在上海、福建、汕头，但不确定性较大。Eolfi和Cobra计划为台湾建设5个500 MW漂浮式项目，包括计划在2022年投产的W1N海上风电场，部署Ideol damping-pool基础平台的的可行性较大。

韩国国家石油公司在今年早些时候也启动其漂浮式海上风电业务，计划在其已有的东海油气平台附近建设200 MW漂浮式项目；另外，蔚山市也与多家国内外开发商签订了开拓漂浮式海上风电项目机会的协议。

日本2014年投产第一个漂浮式海上风电场(福岛14 MW)后，福岛先锋项目共安装了3台形式不一的漂浮式风机和1座浮式变电站，包括1台2 MW、1台5 MW和1台7 MW容量风机，总容量14 MW，是当时世界上最大的漂浮式海上试验风场。其三种基础形式包括2 MW紧凑型半潜式基础Compact Semi-Sub，5 MW先进柱体式平台基础和7 MW V型半潜式基础，如图15所示。

图15 福岛项四种基础型式图

近期，日本新能源和工业技术发展组织NEDO开发Hibiki漂浮式风电项目，该示范项目采用法国Ideol阻尼池漂浮式基础，顶部安装1台德国Aerodyn 3.2 MW 2叶片风机，如图16。Ideol和Acacia正计划在2023年投产大型商用漂浮式海上风电项目，与此同时PPI也与三井造船株式会社合作开发该领域的项目。

图16 日本Hibiki项目图

2.3 美洲、澳洲、非洲漂浮式风电开发情况

美国葡电新能源(EDPR)准备在加利福尼亚附近海域开发一个漂浮式海上风电项目；在夏威夷，Alpha Wind也计划开发2个400 MW的漂浮式海上风电场，并将采用8 MW风机及Windfloat半潜式基础。

澳大利亚政府刚刚有意开发“南部之星”近海风电场，深远海风电场的开发还没有计划。

非洲各国目前暂无开发漂浮式风机计划。

3 结 语

1)第一个商业化运行的漂浮式风电场苏格兰海温德风力发电场的运行经验将为后续漂浮式海上风电项目提供重要的参考价值，将推动全球漂浮式海上风电快速发展。

2)一些漂浮式基础平台技术应用进入成熟阶段，如Hywind-spar、Windfloat和Ideol damping-pool，并将在多个漂浮式风电场中应用。

3)目前欧洲是全球浮式风机发展最迅速，漂浮式海上风电技术最为领先地区。

4)欧洲许多漂浮式风机已经进入商业化运营阶段；亚洲的日本进入样机示范阶段，其他地区还在计划当中；美国漂浮式风电场的建设同样在计划当中；全球其他地区暂无计划。

5)全球漂浮式风机的技术的发展与当地的经济发达程度密切相关；当地经济水平同样影响着漂浮式风电场的发展计划，这主要是目前漂浮式风电场高昂的建设成本所致。由于深远海漂浮式风机现在开发成本巨大，所以对于经济比较落后的地区，对漂浮式风电场的开发还是相当谨慎。海上漂浮风电场面临的真正挑战不是机组规模，而是通过技术进步和削减建造成本来提高竞争力，促进漂浮式风机的发展。

6)现阶段，我国的海上风电规划大都位于水深<50 m的区域内，个别项目已经达到了固定式基础和漂浮式基础经济性的临界点，未来海上风电必将向更深更远的海域发展。现在，中国在浮式风机领域的技术水平和研发能力还较低，因此漂浮式技术将必须攻克。我国科技部和地方政府目前也在对漂浮式技术方面的课题项目给予支持和资助，以期在漂浮式技术方面跻身世界前列。