徐一波 ，鄢敉君 ，李 林

（江西師范高等?？茖W(xué)校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

太陽輻射地球表面后，各地氣溫的變化不一致，使得空氣里水蒸氣含量不一，進(jìn)而導(dǎo)致各地氣壓出現(xiàn)差距，于是水平方向上表現(xiàn)為高壓側(cè)的空氣在壓強(qiáng)差的作用下向著低壓槽流動，形成了風(fēng)[1]。

自古代起，人們就在嘗試?yán)蔑L(fēng)力資源，如公元644年出現(xiàn)的風(fēng)力機(jī)，并以此為基礎(chǔ)制造了制油廠、鋸木廠、造紙廠、風(fēng)力提水機(jī)等。歷史的車輪滾滾向前，近代，第一部風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)于1890年，由丹麥的物理學(xué)家拉庫爾首創(chuàng)。從此，風(fēng)力發(fā)電走進(jìn)了人們的視野，世界各國逐步都開始了對風(fēng)力發(fā)電的研究與使用。表1是20世紀(jì)初至60年代末各國對風(fēng)電機(jī)組的研制情況。

表1 各國于1900—1970年研制的100 kW級及以上的風(fēng)電機(jī)組

隨著大型的水電機(jī)組以及火電機(jī)組的發(fā)展與使用，20世紀(jì)70年代之前研發(fā)的風(fēng)電機(jī)組由于可靠性較差以及成本高昂等諸多不利因素而逐漸退出了歷史舞臺。但是，它們卻揭示了大中型風(fēng)電機(jī)組在未來的發(fā)展?jié)摿Α?973年，石油危機(jī)爆發(fā)，可預(yù)見的不可再生能源匱乏問題使得清潔環(huán)保的風(fēng)力發(fā)電重新回到了各國的視線，由于曾經(jīng)擁有的風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)，美、英、法、德、蘇聯(lián)、荷蘭、日本、丹麥、加拿大等國很快就制訂了新的風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃。自20世紀(jì)80年代起，全球各國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐漸變得規(guī)范化、商業(yè)化。風(fēng)電機(jī)組容量通常包括300 kW、600 kW、750 kW、850 kW、1 MW、2 MW等等。1991年，世界上第一個(gè)海上風(fēng)力發(fā)電廠在丹麥建成并發(fā)電，該發(fā)電廠一共由11臺丹麥Bonus 450 kW單機(jī)構(gòu)成，總裝機(jī)容量為4.95 MW。此后，英國、瑞典、荷蘭等也先后建立了海上風(fēng)力發(fā)電廠。

2 海上風(fēng)電現(xiàn)狀

放眼全球，海上風(fēng)電的裝機(jī)主要集中在歐洲，到2020年為止，歐洲的海上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)24.8 GW，約占全球風(fēng)電裝機(jī)容量的70.37%。其中，英國的海上風(fēng)電總裝機(jī)容量首屈一指，長期占據(jù)世界第一的位置，總計(jì)10 206 MW，占全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量的41.09%，但在剛剛過去的2021年，英國的新增裝機(jī)容量出現(xiàn)大幅下滑，只有48 MW。

在2004年，廣東南澳開始著手建造我國首個(gè)海上風(fēng)電場，裝機(jī)容量20 MW。之后的2005年，河北滄州黃驊港開發(fā)區(qū)管理委員會同國家能源集團(tuán)國華能投共同建設(shè)裝機(jī)容量達(dá)1 000 MW的國內(nèi)第一個(gè)大型海上風(fēng)電場。而現(xiàn)在，我國東部以及南部諸多沿海城市的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已然建成或正處于建設(shè)中，國內(nèi)海上風(fēng)電的逐年發(fā)展呈現(xiàn)快速增長的趨勢，如圖1所示，到2020年為止，全球累計(jì)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量為34 370 MW，其中，我國擁有9 996 MW，位列全球第二。且在2020年中，全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量為7 125 MW，其中，我國共有3 060 MW的海上風(fēng)電并網(wǎng)，位列全球海上風(fēng)電市場的第一名。

圖1 2010—2020年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量及累計(jì)裝機(jī)容量分析圖

3 海上風(fēng)電的發(fā)展前景

就當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀而言，世界各國的風(fēng)電依舊以陸上風(fēng)力發(fā)電為首要目標(biāo)，相比于陸上風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量，海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量還處在剛起步的階段。圖2是2015—2020年間海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電的累計(jì)裝機(jī)容量變化對比圖。

從圖2中可以清楚地看出，海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電的發(fā)展差距非常大，但增速卻更快。在2020年，陸上風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量達(dá)86 GW，較2019年，累計(jì)裝機(jī)容量漲幅為13.8%，而海上風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量為6 GW，較2019年，累計(jì)裝機(jī)容量漲幅達(dá)20.7%。

圖2 2015—2020年全球陸上風(fēng)電與海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量

因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電擁有風(fēng)電資源充足、對日益匱乏的陸上土地面積資源需求較小，且比起陸上風(fēng)電還有風(fēng)速平穩(wěn)等先天優(yōu)勢，加上海上風(fēng)力發(fā)電的效率較高、離經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)用電需求大的沿海城市較近、大范圍建設(shè)海上風(fēng)電機(jī)組的成本和海上風(fēng)電的度電成本均越來越低、易于制造和安裝的漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)愈發(fā)成熟以及削減碳排放的需求愈發(fā)高漲，在可預(yù)見的未來里，海上風(fēng)力發(fā)電將迎來屬于自己的新時(shí)代。

根據(jù)《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，“十四五”期間，將繼續(xù)推動非化石能源的蓬勃發(fā)展，力爭大幅增加風(fēng)電的規(guī)模，海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展也將有序推進(jìn)。當(dāng)下，海上風(fēng)電的建設(shè)面臨諸多問題：

1）國內(nèi)的風(fēng)電消納能力問題，海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)出電能后，與就近的負(fù)荷需求難以協(xié)調(diào)一致，導(dǎo)致風(fēng)電消納能力不足，進(jìn)而產(chǎn)生棄風(fēng)現(xiàn)象，浪費(fèi)了資源，提高了用電成本。

2）近幾年國內(nèi)的風(fēng)電裝機(jī)容量大幅提升，海上風(fēng)電的新增裝機(jī)容量雖漲幅較大，然而相比陸上風(fēng)電而言，還是有著非常大的差距[2]。

3）海上風(fēng)力發(fā)電并不是完全無害的，風(fēng)能是可再生的清潔能源，但在風(fēng)力發(fā)電的過程中，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候不論是葉片還是機(jī)組都會產(chǎn)生噪聲污染[3]；而且風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動也會對候鳥遷徙造成難以避免的不良影響，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行中，在發(fā)電、變電和輸電三個(gè)環(huán)節(jié)中均會出現(xiàn)電磁輻射[4]。

4）風(fēng)電機(jī)組在并入配網(wǎng)的時(shí)候會出現(xiàn)電壓波及閃變、頻率變化、諧波產(chǎn)生、電壓跌落、造成配網(wǎng)中出現(xiàn)較高的沖擊電流等不利因素[5-6]，進(jìn)而影響電能質(zhì)量。而且，由于風(fēng)能天然的不確定性，會導(dǎo)致風(fēng)電出力具有隨機(jī)性及波動性，風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模并網(wǎng)將會對配網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的保障帶來挑戰(zhàn)[7]。

5）遠(yuǎn)海風(fēng)力發(fā)電有待進(jìn)一步開發(fā)，遠(yuǎn)海地區(qū)占海上風(fēng)電資源的80%，然而國內(nèi)的遠(yuǎn)海風(fēng)電尚處起步階段，面前有著技術(shù)難關(guān)、成本高昂、相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟等諸多考驗(yàn)。

就目前而言，智能制造是全球?qū)崢I(yè)發(fā)展的大趨勢，不論海上風(fēng)電還是陸上風(fēng)電的智能化建設(shè)都需要依托“互聯(lián)網(wǎng)+”，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)，確保第一時(shí)間分析、研究、監(jiān)測、調(diào)整、排故等各項(xiàng)工作的進(jìn)行[8]。未來的海上風(fēng)電發(fā)展中，需要考慮風(fēng)電的不確定性來規(guī)劃配網(wǎng)，確保風(fēng)電并網(wǎng)順利[9]，并著力解決風(fēng)電消納問題，協(xié)調(diào)供需平衡，確保電能質(zhì)量，提升發(fā)電能力的同時(shí)也要提升遠(yuǎn)距離輸電能力，將海上風(fēng)電發(fā)出的電能輸送至內(nèi)地，在保證用電需求的同時(shí)減少火力發(fā)電。還可以通過發(fā)展儲能技術(shù)，如風(fēng)電中應(yīng)用最多的飛輪儲能技術(shù)來盡可能提升風(fēng)電的利用效率，減少棄風(fēng)現(xiàn)象[10]。

而且，伴隨著國內(nèi)第一臺漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組并入配網(wǎng)，標(biāo)志著我國遠(yuǎn)海風(fēng)電的建設(shè)走向了正軌，通過技術(shù)研發(fā)、培養(yǎng)優(yōu)秀的管理體系以及大力扶持相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈（如風(fēng)機(jī)葉片芯材的關(guān)鍵材料巴沙木的種植業(yè)）來降低發(fā)電成本，從而達(dá)到逐步取代低成本的傳統(tǒng)化石能源的目的。

4 結(jié)語

海上風(fēng)力發(fā)電在減少碳排放、保證可持續(xù)發(fā)展、提高發(fā)電效率、保障用電需求等方面的優(yōu)勢十分顯著。目前，我國能源架構(gòu)中，傳統(tǒng)火電依舊占據(jù)主導(dǎo)地位，伴隨著時(shí)代的變遷，海上風(fēng)電將大規(guī)模開發(fā)布局，有望取代火電，成為國內(nèi)的能源新支柱。