文/謝 張全成

根據(jù)我國(guó)《海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報(bào)告》，全國(guó)海岸帶面積資源遼闊，若按照10%的可利用率計(jì)算，近海風(fēng)電裝機(jī)總量可達(dá)2 000 GW。從歐洲海上風(fēng)電示范項(xiàng)目來(lái)看，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在水深50 m以?xún)?nèi)的近海區(qū)域，在技術(shù)上是可行的。因此，我國(guó)海上可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源潛力巨大。

根據(jù)海上風(fēng)能特點(diǎn)和不斷提升的風(fēng)電技術(shù)，國(guó)家將海上風(fēng)電列為后續(xù)新能源戰(zhàn)略的重要方向之一。根據(jù)已完成規(guī)劃的各省初步目標(biāo)，上海、江蘇、浙江、山東和福建等沿海省市的海上風(fēng)電規(guī)劃項(xiàng)目將在2015年以前裝機(jī)量達(dá)到10 GW，其中近海風(fēng)電6 GW，潮間帶風(fēng)電4 GW。2020年規(guī)劃裝機(jī)22.8 GW，其中近海17.7 GW，潮間帶5.1 GW，其他省份待定目標(biāo)為5 GW和10 GW。由于在陸上風(fēng)電的發(fā)展過(guò)程中，風(fēng)電產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致塔架倒塌、葉片折斷及風(fēng)機(jī)集中脫網(wǎng)等事故屢見(jiàn)不鮮，給國(guó)家和企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，本文從海上風(fēng)能的特性以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)認(rèn)證現(xiàn)狀的研究，探討如何通過(guò)提升風(fēng)電認(rèn)證水平，積極推動(dòng)我國(guó)海上風(fēng)電行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

一、海上風(fēng)能資源

1.海上風(fēng)能顯著性特點(diǎn)

與陸地相比，海上風(fēng)能具有自身的顯著性特點(diǎn)：

①高度上的風(fēng)速梯度小。由于海面的粗糙度低于陸地，對(duì)風(fēng)的阻礙較小，導(dǎo)致高度上風(fēng)速梯度?。ㄒ?jiàn)圖1）。

圖1 風(fēng)速與高度關(guān)系曲線(xiàn)

②風(fēng)湍流度較低。湍流度即風(fēng)速相對(duì)于其平均值的瞬時(shí)變化情況，湍流度低，說(shuō)明風(fēng)速相對(duì)比較穩(wěn)定。

③整體風(fēng)速較高。由于海平面低粗糙度和障礙物少，故在300 m高度以下，近海風(fēng)速高于陸地，且由于沒(méi)有障礙物影響，因此渦流現(xiàn)象較少。

2.海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀分析

盡管海上風(fēng)力資源豐富，但由于風(fēng)電機(jī)組地面基礎(chǔ)建設(shè)、葉片和塔架等零部件的運(yùn)輸安裝比較困難，同時(shí)對(duì)后續(xù)電力傳輸要求較高，故海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量一般較高。目前，世界上用于海上風(fēng)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量最大已經(jīng)達(dá)到6 MW，葉輪直徑可達(dá)127 m。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)已有廠(chǎng)家開(kāi)始設(shè)計(jì)8 MW～10 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，到2020年，我國(guó)海上風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量將可能高達(dá)15 MW。如今，可用于海上風(fēng)電的發(fā)電機(jī)組形式主要是變速恒頻雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和低速型永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩種。

從海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，除單機(jī)容量不斷增加之外，還有其它幾個(gè)特征：

①由淺海到深海發(fā)展。淺海區(qū)域的風(fēng)電場(chǎng)具有安裝維護(hù)方便，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，故早期的風(fēng)電場(chǎng)多選擇在淺海區(qū)域。隨著海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展以及淺海區(qū)域資源受限，海上風(fēng)電場(chǎng)向深海發(fā)展成為一種必然趨勢(shì)。

②液壓變槳和電氣變槳并存。電氣變槳不存在漏油現(xiàn)象，環(huán)境友好，隨著技術(shù)逐步成熟，市場(chǎng)份額將逐步增加。

③直驅(qū)系統(tǒng)份額增加。永磁同步電機(jī)不從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，也不需要滑環(huán)碳刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行影響小，有助于改善電能質(zhì)量，更容易滿(mǎn)足并網(wǎng)相關(guān)要求。

④傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新。從風(fēng)電的發(fā)展來(lái)看，直驅(qū)式和半直驅(qū)式傳動(dòng)系統(tǒng)是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

⑤葉片技術(shù)不斷改進(jìn)。對(duì)于2 MW以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通常通過(guò)增加塔筒高度和葉片長(zhǎng)度來(lái)提高風(fēng)能利用率，但對(duì)于特大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種作業(yè)模式會(huì)大大增加運(yùn)輸和安裝成本。為此，需要優(yōu)化葉片的氣動(dòng)特性，提高葉片的捕風(fēng)能力，降低噪音，改善風(fēng)機(jī)振動(dòng)。由于特大型風(fēng)機(jī)葉片較長(zhǎng)，運(yùn)輸困難，分段式葉片的開(kāi)發(fā)在理論上可較好地解決運(yùn)輸問(wèn)題，但需重點(diǎn)解決其兩段葉片連接處的剛性斷裂難題。在海上風(fēng)電發(fā)展中，兩葉片的風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其葉片數(shù)量少，輪轂設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，運(yùn)輸和吊裝的工作量減少等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到關(guān)注。

二、海上風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證

1.國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)

海上風(fēng)電認(rèn)證的依據(jù)是相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如今流行于國(guó)際上的海上風(fēng)電機(jī)組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 61400－3－2009《海上風(fēng)輪機(jī)設(shè)計(jì)要求》、《GL海上風(fēng)電指南》、《風(fēng)力發(fā)電丹麥建議書(shū)》、DNVOS－J101－2011《挪威船級(jí)社海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求》等。

IEC 61400－3－2009屬于IEC 61400風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)體系，其主要目的是為海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)等級(jí)，保證海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命。由于該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有詳細(xì)規(guī)范機(jī)組的材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械組成、安全系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等方面的內(nèi)容，需要與其它IEC標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合使用。

《GL海上風(fēng)電指南》的目的在于為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供最先進(jìn)的設(shè)計(jì)要求，其涵蓋了載荷、材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、回轉(zhuǎn)支撐、葉片、電氣、安全、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和認(rèn)證整個(gè)內(nèi)容。它的載荷安全要素與IEC 61400相一致，但內(nèi)容更詳實(shí)，更具有操作性。

《風(fēng)力發(fā)電丹麥建議書(shū)》用來(lái)規(guī)范海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷和基礎(chǔ)問(wèn)題。另外，它還包括避雷、噪聲和環(huán)境影響評(píng)估等內(nèi)容，屬于丹麥風(fēng)力發(fā)電機(jī)型號(hào)批準(zhǔn)和認(rèn)證的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和DS 472－2007《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)安全和載荷實(shí)施規(guī)范》的附件之一，在丹麥，該標(biāo)準(zhǔn)被強(qiáng)制執(zhí)行。DNV－OSJ101－2007重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。

在全世界范圍內(nèi)，只有德國(guó)、丹麥和荷蘭3個(gè)國(guó)家對(duì)海上風(fēng)電要求進(jìn)行強(qiáng)制性認(rèn)證。近年來(lái)，許多國(guó)家也逐步認(rèn)識(shí)到風(fēng)電機(jī)組認(rèn)證的重要性，正在將風(fēng)電機(jī)組的認(rèn)證與政策支持進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用第三方認(rèn)證對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)進(jìn)行評(píng)估，其中就包括希臘、印度、西班牙、瑞典、美國(guó)和我國(guó)等。在國(guó)際上開(kāi)展風(fēng)電認(rèn)證的第三方機(jī)構(gòu)很多，包括：GL WIND、TUV-SUD、Intertek天祥、TüV NORD、 DEWI和SGS等。

對(duì)于一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的項(xiàng)目認(rèn)證，一般包括以下步驟（見(jiàn)圖2）。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)的項(xiàng)目認(rèn)證一般步驟

其中，型號(hào)認(rèn)證的步驟和內(nèi)容主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估、生產(chǎn)安裝要求、質(zhì)量管理體系和樣機(jī)測(cè)試等，最后評(píng)估合格后，獲得型號(hào)認(rèn)證證書(shū)。

2.我國(guó)海上風(fēng)電認(rèn)證

與德國(guó)、丹麥和荷蘭等風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的海上風(fēng)電認(rèn)證存在較大的難度，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

首先，海上風(fēng)電認(rèn)證缺少足夠的技術(shù)支持。這是由于海上風(fēng)電在國(guó)內(nèi)屬于新興產(chǎn)業(yè)，國(guó)外很多技術(shù)都有嚴(yán)格的保密措施，通過(guò)生產(chǎn)許可證方式進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)也無(wú)法獲得國(guó)外的核心技術(shù)。

其次，海上風(fēng)電技術(shù)不成熟，國(guó)內(nèi)尚缺少一整套關(guān)于海上風(fēng)電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，國(guó)內(nèi)進(jìn)行海上風(fēng)電項(xiàng)目的認(rèn)證還需要借鑒相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

再者，各家企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有其特殊性，加上海上風(fēng)電一些特殊問(wèn)題至今尚未解決，不同地區(qū)的海洋環(huán)境又存在差異，故現(xiàn)有的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也無(wú)法完全適用于我國(guó)的海上風(fēng)電發(fā)展。

此外，國(guó)內(nèi)當(dāng)今沒(méi)有一家專(zhuān)業(yè)的第三方海上風(fēng)電質(zhì)檢機(jī)構(gòu)，海上風(fēng)電的認(rèn)證結(jié)論也缺少足夠的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

由于以上因素的綜合影響，國(guó)內(nèi)的海上風(fēng)電項(xiàng)目認(rèn)證無(wú)法真正深入開(kāi)展，包括葉片等關(guān)鍵零部件的檢測(cè)也多止步于靜態(tài)檢測(cè)。在此情況下，經(jīng)過(guò)認(rèn)證的風(fēng)電項(xiàng)目也存在很多質(zhì)量隱患。在陸上風(fēng)電的發(fā)展過(guò)程中，產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致塔架倒塌、葉片折斷及風(fēng)機(jī)集中脫網(wǎng)等事故（見(jiàn)圖3）屢見(jiàn)不鮮，給國(guó)家和企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，產(chǎn)業(yè)監(jiān)管和產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證水平急待提升。

圖3 風(fēng)電機(jī)組事故照片

三、我國(guó)海上風(fēng)電認(rèn)證發(fā)展建議

隨著海上風(fēng)能資源的進(jìn)一步挖掘，技術(shù)的不斷完善，海上風(fēng)電將成為我國(guó)后續(xù)風(fēng)電業(yè)的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。但由于國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電的認(rèn)證檢測(cè)目前缺少足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，限制了國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電認(rèn)證的深入開(kāi)展。參與國(guó)際認(rèn)證檢測(cè)項(xiàng)目的開(kāi)展，則需要引進(jìn)相關(guān)的高精度檢測(cè)設(shè)備，如高精度低電壓穿越檢測(cè)設(shè)備。近期，中國(guó)電力科學(xué)研究院等單位正在展開(kāi)制造相關(guān)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備的工作。我國(guó)需要大力發(fā)展建設(shè)第三方海上風(fēng)電專(zhuān)業(yè)質(zhì)檢機(jī)構(gòu)，為海上風(fēng)電機(jī)組整機(jī)和零部件認(rèn)證提供需要的檢測(cè)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，同時(shí)深入開(kāi)展海上風(fēng)電整機(jī)檢測(cè)技術(shù)研究，跟蹤比對(duì)國(guó)內(nèi)外的新型風(fēng)電機(jī)組發(fā)展動(dòng)態(tài)，攻克檢測(cè)技術(shù)難關(guān)，以支持新型風(fēng)電機(jī)組研發(fā)。

國(guó)際相關(guān)海上風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于我國(guó)海上風(fēng)電認(rèn)證發(fā)展可以起到一定借鑒作用，但由于海洋的土壤、潮流、溫度、鹽分、風(fēng)速和渦流等特殊性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法完全適應(yīng)我們的海洋風(fēng)電現(xiàn)狀。為此，國(guó)內(nèi)需要在廣泛開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，研究制定適合我國(guó)國(guó)情的海上風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)，為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和海上風(fēng)電認(rèn)證提供支撐。

在風(fēng)機(jī)的認(rèn)證過(guò)程中，國(guó)內(nèi)推行240 h認(rèn)證測(cè)試，其前提是需要一個(gè)可以為試驗(yàn)機(jī)型提供真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)。由于海上風(fēng)電試驗(yàn)場(chǎng)需要較大的面積和輸配電配套設(shè)施，資金投入巨大，第三方認(rèn)證檢測(cè)機(jī)構(gòu)無(wú)法獨(dú)立完成風(fēng)電試驗(yàn)場(chǎng)的投資建設(shè)，若國(guó)內(nèi)開(kāi)展海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的認(rèn)證檢測(cè)則需依托于陸地試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)或者企業(yè)的海上風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。所以，需要支持第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)參與國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，依托風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)海上風(fēng)電試驗(yàn)場(chǎng)，為國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電新機(jī)型的研發(fā)和服役機(jī)型的認(rèn)證檢測(cè)提供服務(wù)。

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