姜 楠

（山東能源集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014）

深海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析*

姜 楠?

（山東能源集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014）

海上風(fēng)電從潮間帶和近海走向深海遠(yuǎn)岸將是必然趨勢(shì)?，F(xiàn)有的機(jī)組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢(shì)必不能滿(mǎn)足新的環(huán)境要求。漂浮式基礎(chǔ)、整體安裝及自航自升式施工平臺(tái)極有可能成為未來(lái)海上風(fēng)力發(fā)電的主流技術(shù)。北半球中緯度附近海域在發(fā)展深海風(fēng)電方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)及迫切需求，我國(guó)需盡早進(jìn)行規(guī)劃和部署相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)。

深海；風(fēng)力發(fā)電；漂浮式基礎(chǔ)；安裝平臺(tái)

0 引 言

相較于陸上風(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)力發(fā)電具有不占用土地資源、風(fēng)速高且穩(wěn)定、湍流強(qiáng)度小、視覺(jué)及噪聲污染小、靠近負(fù)荷中心等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了許多國(guó)家的重視。德國(guó)、英國(guó)、丹麥等國(guó)家在發(fā)展海上風(fēng)電方面走在了世界的前列，目前歐洲的裝機(jī)容量約占世界海上風(fēng)電總裝機(jī)容量的90%，主要集中在北海、波羅的海和英吉利海峽等地[1,2]。

根據(jù)測(cè)算，距離海岸線(xiàn)越遠(yuǎn)，風(fēng)速越大，發(fā)電量增加越明顯，離岸10 km的海上風(fēng)速通常比沿岸高約25%。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，2010年歐洲已建成的海上風(fēng)電場(chǎng)平均水深為17.4 m，離岸平均距離為27.1 km；2012年平均水深22 m，離岸平均距離29 km；而從目前正在建設(shè)、批準(zhǔn)或規(guī)劃的項(xiàng)目來(lái)看，平均水深和離岸距離已分別達(dá)到了215 m和200 km[3,4]。因此，今后隨著潮間帶及近海區(qū)域風(fēng)電資源的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度逐漸飽和以及沿海地區(qū)環(huán)境保護(hù)呼聲的日益強(qiáng)烈[5]，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，海上風(fēng)力發(fā)電從潮間帶和近海走向深海遠(yuǎn)岸將是必然趨勢(shì)。一般認(rèn)為，離岸距離達(dá)到50 km或水深達(dá)到50 m的風(fēng)電場(chǎng)即可稱(chēng)為深海風(fēng)電場(chǎng)[6]。在發(fā)展深海風(fēng)電方面，歐洲繼續(xù)走在了世界的前列，世界上首個(gè)著床式深海風(fēng)電場(chǎng)和首個(gè)漂浮式深海風(fēng)電場(chǎng)分別在蘇格蘭和挪威建成運(yùn)行[7,14]，但美國(guó)和日本已經(jīng)意識(shí)到其重要性并開(kāi)始急起直追[8,9]。

1 技術(shù)現(xiàn)狀與分析

與近海相比，深海環(huán)境更加惡劣，存在著海流、波浪、潮汐、內(nèi)波等多種水文現(xiàn)象以及腐蝕、沖刷、淘空等長(zhǎng)期理化作用，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海底電纜、海上平臺(tái)集成等技術(shù)無(wú)疑提出了更嚴(yán)苛的要求[10,11]。然而，與近海風(fēng)電場(chǎng)相比，深海風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)主要區(qū)別和難點(diǎn)更在于機(jī)組基礎(chǔ)型式和機(jī)組安裝方式兩個(gè)方面，因此需要重新評(píng)估和考慮。

1.1 基礎(chǔ)型式

基礎(chǔ)是風(fēng)電機(jī)組賴(lài)以持續(xù)穩(wěn)定工作的平臺(tái)，是海上風(fēng)電場(chǎng)的重要組成部分，對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目的運(yùn)行質(zhì)量和投資效益影響較大，目前基礎(chǔ)的施工和運(yùn)維費(fèi)用約占海上風(fēng)電總投資的15%～25%。

按照基礎(chǔ)是否與海床直接接觸，可將現(xiàn)有的海上風(fēng)電基礎(chǔ)分為著床式和漂浮式兩種結(jié)構(gòu)形式，或稱(chēng)為固基和浮基。其中，著床式基礎(chǔ)與陸上風(fēng)電類(lèi)似，通過(guò)鋼樁、沉箱、網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)將塔筒固定于海床上，該基礎(chǔ)適用于近海區(qū)域（水深小于50 m），已被大量應(yīng)用于目前已建成的海上風(fēng)電場(chǎng)，技術(shù)成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富。而漂浮式基礎(chǔ)的概念來(lái)源于深海油氣開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是指塔筒不與海床直接接觸，而通過(guò)錨索或纜繩將其與海底相連，使風(fēng)電機(jī)組可在某一相對(duì)固定區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，該類(lèi)基礎(chǔ)目前主要處于研發(fā)和示范階段，但對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，與著床式基礎(chǔ)相比施工難度較小、運(yùn)維成本低，因此在發(fā)展深海風(fēng)電方面具有良好的應(yīng)用前景。

漂浮式基礎(chǔ)主要包括四種類(lèi)型，分別是單柱式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、駁船型平臺(tái)和半潛式平臺(tái)。其中，單柱式平臺(tái)又稱(chēng)Spar平臺(tái)（如圖1a所示），即利用固定在浮力罐中心底部的配重（壓倉(cāng)物）來(lái)實(shí)現(xiàn)塔筒平臺(tái)的穩(wěn)定，在系泊系統(tǒng)和主體浮力控制下，具有良好的動(dòng)力穩(wěn)定性[12]。張力腿平臺(tái)（Tension Leg Platform,TLP）利用系纜張力實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性，即通過(guò)處于拉伸狀態(tài)的張力腿將塔筒平臺(tái)與海底連接，從而抑制平臺(tái)垂直方向上的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)水平方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[13]，如圖1b所示。駁船型平臺(tái)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單（如圖1c所示），它利用大平面的重力扶正力矩使整個(gè)平臺(tái)保證穩(wěn)定，其原理與一般船舶無(wú)異。半潛式平臺(tái)主要由立柱、桁架、壓水板和固定纜繩構(gòu)成，其設(shè)計(jì)靈活，是一種吃水較淺的改進(jìn)型張力腿平臺(tái)[14]，如圖1d所示。表1列出了4種主要漂浮式基礎(chǔ)的基本性能對(duì)比情況。

圖1 漂浮式基礎(chǔ)的4種型式Fig. 1 4 types of floating foundation

表1 漂浮式基礎(chǔ)主要形式對(duì)比Table 1 Comparison of 4 floating foundations

上述4種平臺(tái)均已在海洋油氣開(kāi)發(fā)中得到了大量應(yīng)用和充分驗(yàn)證，近年來(lái)陸續(xù)被提出應(yīng)用于深海風(fēng)電開(kāi)發(fā)中并進(jìn)行了研究和論證。2009年，世界首個(gè)海上漂浮式風(fēng)力發(fā)電站“Hywind”在挪威海岸附近的北海正式投運(yùn)，采用的就是Spar浮體結(jié)構(gòu)[18]，2013年在日本長(zhǎng)崎海域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，單機(jī)容量2 MW，由日立公司開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目名稱(chēng)為“HAENKAZE”。而2011年葡萄牙電力公司建成的“Wind Float”MW級(jí)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組則采用了半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，由美國(guó)Principle Power公司開(kāi)發(fā)，單機(jī)規(guī)模6 MW，正處于示范階段。此外，還有一些漂浮式基礎(chǔ)概念結(jié)構(gòu)處于設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段，比如Sea Twirl、SWAY、Blue H和Poseidon等[3]。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，這些浮體結(jié)構(gòu)基本上都是在上述4種平臺(tái)基礎(chǔ)上的改進(jìn)或綜合。

1.2 機(jī)組安裝

由于海上氣候惡劣，有效作業(yè)時(shí)間短，所以機(jī)組安裝是整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中施工難度最高和風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)[19]，直接決定了整個(gè)項(xiàng)目的成敗。機(jī)組安裝技術(shù)包括安裝平臺(tái)和安裝方式兩個(gè)部分。目前大部分海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸、吊裝、維修主要依托于現(xiàn)有的船舶平臺(tái)進(jìn)行。隨著離岸距離越來(lái)越遠(yuǎn)及機(jī)組功率越來(lái)越大，近年來(lái)已陸續(xù)出現(xiàn)新建或改裝的專(zhuān)業(yè)化海上風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)[20]，主要包括傳統(tǒng)起重船（自航非自升）、起重安裝平臺(tái)（自升非自航）和自航自升起重船3種類(lèi)型[21]。其中，自航自升船既可在海上自由航行，又可在目標(biāo)區(qū)域自由升降，是運(yùn)輸和安裝海上風(fēng)電機(jī)組的理想船型，英國(guó)2004年開(kāi)發(fā)的世界上第一艘專(zhuān)門(mén)用于安裝海上風(fēng)機(jī)“五月花”號(hào)就是這種船型[22]。

海上風(fēng)電機(jī)組的安裝主要包括兩種方式：分體安裝和整體安裝。分體安裝是指在目標(biāo)海域按照基礎(chǔ)→塔筒→機(jī)艙→葉片的順序依次將機(jī)組的各主要部件裝配成一個(gè)整體，這種施工方法與陸上風(fēng)電場(chǎng)類(lèi)似，適用于潮間帶及近海區(qū)域，目前運(yùn)行的多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)均按該方法建造；而整體安裝則是在岸邊將機(jī)組各部件裝配成一個(gè)整體，豎直放置于運(yùn)輸船運(yùn)送并安放至目標(biāo)地點(diǎn)，以減少海況對(duì)裝配精度的影響，作業(yè)費(fèi)用較低，這種施工方法是近年發(fā)展起來(lái)的，也已有成功案例[23-24]。

對(duì)適用于深海區(qū)域的漂浮式基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)根據(jù)具體的基礎(chǔ)型式選擇安裝技術(shù)。其中，單柱式平臺(tái)基礎(chǔ)的機(jī)組應(yīng)首選整體安裝，裝配完成后由起重船運(yùn)送并放置于目標(biāo)地點(diǎn)；張力腿平臺(tái)基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組可在目標(biāo)地點(diǎn)將基礎(chǔ)平臺(tái)固定后，由自航自升船進(jìn)行分體安裝塔筒、機(jī)艙及葉片；而駁船型和半潛式平臺(tái)基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組則可在岸邊進(jìn)行整體安裝，后由拖船將其整體拖曳至目標(biāo)地點(diǎn)。

根據(jù)以上對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式及機(jī)組安裝技術(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)目前深海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已初步具備了技術(shù)可行性，將來(lái)通過(guò)借鑒海洋油氣開(kāi)發(fā)及船舶工程經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)成熟度和可行性將進(jìn)一步提高。

2 發(fā)展重點(diǎn)及技術(shù)建議

研究表明，全球大部分海域單位面積的風(fēng)能儲(chǔ)量在2×103(kW·h)/m2，屬于風(fēng)能資源的富集區(qū)。據(jù)估算，全球海深60～900 m區(qū)域風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量約為17.4×108kW，因此深海風(fēng)力發(fā)電潛力巨大[25]。根據(jù)全球海域風(fēng)能資源分析可知，南北半球西風(fēng)帶資源最為豐富但破壞性天氣頻發(fā)（如我國(guó)南海地區(qū)），赤道附近和兩極海域風(fēng)能資源較為貧乏，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，適宜開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電的區(qū)域主要分布在南北半球中緯度附近海域[26-27]。

結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度、能源需求量及風(fēng)能資源情況來(lái)看，未來(lái)一段時(shí)期可能重點(diǎn)發(fā)展深海風(fēng)電的區(qū)域包括[28]：（1）歐洲大西洋沿岸以及冰島沿海，包括北海、波羅的海、地中海、比斯開(kāi)灣等海域；（2）北美洲東西海岸沿海，包括哈德森灣、墨西哥灣、圣羅倫斯灣及美國(guó)西海岸等海域；（3）東北亞地區(qū)沿海，包括渤海、黃海、日本海等海域。上述海域風(fēng)能資源豐富，平均風(fēng)速約在8～9 m/s左右，沿岸聚集了英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體以及中國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)、墨西哥等新興經(jīng)濟(jì)體，電力需求量大，且遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)等破壞性天氣多發(fā)區(qū)域[29]，因而應(yīng)當(dāng)是發(fā)展深海風(fēng)電的理想地區(qū)。

基于發(fā)展深海風(fēng)電的可行性和必要性，我國(guó)應(yīng)提前謀劃，加大工作力度，采取有力措施，推動(dòng)深海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的實(shí)用化和規(guī)?；l(fā)展。主要包括：

（1）啟動(dòng)深海區(qū)域風(fēng)能資源探測(cè)和海床地質(zhì)條件勘測(cè)工作，提前規(guī)劃渤海和黃海海域深海風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展布局及輸電線(xiàn)路走向；

（2）部署開(kāi)發(fā)適應(yīng)深海地理氣候環(huán)境特點(diǎn)（如抗海冰、抗臺(tái)風(fēng)、抗鹽霧等）的風(fēng)電機(jī)組[30]，并積極進(jìn)行示范和實(shí)證；

（3）進(jìn)一步驗(yàn)證和對(duì)比4種漂浮式基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，積累深海風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸、施工、吊裝、維護(hù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，逐步形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

（4）以當(dāng)前海洋工程裝備為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)集運(yùn)輸和吊裝功能于一體的船舶平臺(tái)，同時(shí)培育專(zhuān)業(yè)化施工運(yùn)維服務(wù)公司；

（5）積極參與國(guó)際合作，共同開(kāi)發(fā)深海風(fēng)電機(jī)組與深海風(fēng)電場(chǎng)，同時(shí)形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3 結(jié) 論

隨著能源需求的逐步增加及近海風(fēng)能資源的漸次減少，深海區(qū)域必將成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主戰(zhàn)場(chǎng)。從目前開(kāi)發(fā)趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)幾年海上風(fēng)電場(chǎng)的離岸距離將增加到50 km以上，因此現(xiàn)有的機(jī)組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢(shì)必不能滿(mǎn)足新的環(huán)境要求。漂浮式基礎(chǔ)、整體安裝及自航自升式施工平臺(tái)極有可能成為未來(lái)的主流技術(shù)。北半球中緯度附近海域在發(fā)展深海風(fēng)電方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)及迫切的需求，我國(guó)需盡早進(jìn)行規(guī)劃和部署。

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Analysis on Status and Prospect of Wind Power Generation in Deep Sea

JIANG Nan
(ShanDong Energy Group CO.,LTD.,Jinan 250014,China)

It is an inexorable trend that offshore wind farm be constructed in deep sea in future. The existing installing technology and foundation can’t meet the new need of deep sea environment. Some new technologies will be the mainstream,including floating foundation,integral installation,self-propelled and self-elevating ship and so on. The sea near to middle-latitude zone in the northern hemisphere has unique advantages and active demand to develop wind power generation in deep sea. We need to draw up a plan to develop wind farm projects and technologies as early as possible.

deep sea；wind power generation；floating foundation；operation platform

TK89

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.004

2095-560X（2015）01-0021-04

姜 楠（1980-），男，博士，副研究員，主要從事可再生能源的研究和開(kāi)發(fā)。

2014-08-01

2014-09-25

? 通信作者：姜 楠，E-mail：1846117315@qq.com