徐一波 ， 鄢敉君 ， 李 林

（江西師范高等專科學(xué)校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

1875年，法國巴黎的火力發(fā)電廠完成了人類史上的第一次發(fā)電行為，伴隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能已經(jīng)成為保障社會(huì)正常生產(chǎn)生活的基本前提。火力發(fā)電作為最早的發(fā)電方式，首次發(fā)電迄今已100多年，憑借其成本低廉、發(fā)電難度低、技術(shù)成熟、建造周期短暫、對(duì)環(huán)境和廠區(qū)面積的要求低、相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈完善等優(yōu)勢一直占據(jù)著全球電力市場的領(lǐng)頭羊位置。然而，這種發(fā)電方式的弊端也逐漸凸顯，對(duì)環(huán)境的長久負(fù)擔(dān)是其最突出的問題。在火電的發(fā)電過程之中，為確保燃煤與空氣充分反應(yīng)，盡可能完全燃燒，首先要把燃煤制成小顆粒，從而增大它的表面積。但該過程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，與此同時(shí)，鍋爐設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)與維護(hù)過程中也會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。而且，燃煤在燃燒過程中會(huì)釋放大量的CO2和SO2等有害氣體，這些廢氣即使經(jīng)過處理后排放至大氣，依舊會(huì)加劇溫室效應(yīng)，破壞環(huán)境。此外，火電的能量轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)化媒介一般都是水，這也意味著該過程中會(huì)消耗大量水資源，會(huì)令淡水資源的匱乏問題愈發(fā)嚴(yán)峻[1]。

如圖1所示，火力發(fā)電依舊牢牢占據(jù)著能源領(lǐng)域的主力位置，但分布式清潔能源發(fā)電取代傳統(tǒng)化石能源發(fā)電是減緩全球變暖、減少碳排放、力爭可持續(xù)發(fā)展的必然結(jié)果[2-3]。在各清潔能源中，風(fēng)能具有極大的發(fā)展前景，從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在我國能源領(lǐng)域中，風(fēng)電的占比不高。但它天然具備經(jīng)濟(jì)成本較低、風(fēng)力資源充足、對(duì)自然環(huán)境的破壞較小等許多優(yōu)點(diǎn)[4]，也是最有希望接替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源成為新的世界能源支柱的產(chǎn)業(yè)之一。全球風(fēng)能協(xié)會(huì)（GWEC）估計(jì)，在未來三年內(nèi)，全球風(fēng)電新增裝機(jī)的年復(fù)合增長率可達(dá)4%，亞歐及北美等洲依舊處在帶動(dòng)全球風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展的先鋒地位。

圖1 2021年1—6月我國發(fā)電量（GW）

2 海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電有陸上風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電兩種方式。由于大陸的地形環(huán)境不一，復(fù)雜多變，不同地表形態(tài)下，風(fēng)速受到的削減程度也不一致，在山脈、高樓大廈、大片的樹林等處都可能出現(xiàn)風(fēng)切變現(xiàn)象，造成風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪無法均勻受力，從而損傷葉片。而且這一過程使得葉片振動(dòng)，若軸承的固有頻率與激勵(lì)力頻率一致，還會(huì)出現(xiàn)共振，損傷風(fēng)輪軸承，繼而損傷風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)。而海上風(fēng)電則沒有這方面的顧慮，絕大部分海平面不存在復(fù)雜地貌，風(fēng)阻較低，風(fēng)速變化程度較小，整體的風(fēng)速也更高。風(fēng)能公式如下式（1）所示：

式中，W表示風(fēng)能，ρ表示空氣密度，v表示風(fēng)速，S表示截面積。

從上式中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)能與風(fēng)速的立方成正比，這也意味著海上風(fēng)速高的優(yōu)勢能帶來更高的發(fā)電量和發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)。

就我國而言，海岸線長達(dá)1.8×104多千米，共有島嶼6×103多個(gè)。東南地區(qū)沿海地帶及其附近島嶼，在國內(nèi)的近海風(fēng)能資源區(qū)中首屈一指。該地區(qū)的風(fēng)能密度超過了200 W/m2，而在附近的島嶼甚至能超過300 W/m2，80%以上的時(shí)間處于有效風(fēng)力之中。而且該地區(qū)的風(fēng)速在一年中有7×103h~8×103h能出現(xiàn)超過8 m/s的狀態(tài)，在6 m/s~7 m/s的狀態(tài)也能達(dá)到4×103h。但該地區(qū)往西沿內(nèi)陸方向，多為丘陵地貌，冬季冷空氣從北向南流動(dòng)，難以完全流通，夏季臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速在距海岸線5×104m處就會(huì)銳減32%。也就是說，東南地區(qū)僅在沿海地帶向內(nèi)幾十千米的區(qū)域及附近島嶼才擁有較好的風(fēng)能資源。在向內(nèi)不足100 km的區(qū)域內(nèi)，風(fēng)能資源就會(huì)急劇降低，風(fēng)能密度迅速銳減到50 W/m2之下，成為國內(nèi)風(fēng)能資源最小的地區(qū)。而在我國東南地區(qū)的南麂島、嵊泗島、大陳島、臺(tái)山島、平潭島等諸多島嶼，均擁有充足的風(fēng)能資源。其中，臺(tái)山島的風(fēng)能資源在國內(nèi)獨(dú)占鰲頭，其風(fēng)能密度可達(dá)534 W/m2，有效風(fēng)電出力的時(shí)間占90%。

而遠(yuǎn)海風(fēng)能資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于近海風(fēng)能資源，對(duì)于國內(nèi)的遠(yuǎn)海風(fēng)能，目前尚無完整的統(tǒng)計(jì)，但我國對(duì)遠(yuǎn)海風(fēng)電的發(fā)展已經(jīng)成功邁出了第一步。2021年，廣東陽江建成了世界第一部抗臺(tái)風(fēng)型漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并于2021年12月7日成功并入配網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電，意味著我國在該領(lǐng)域的研發(fā)制造已經(jīng)走在了全球前列。漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是遠(yuǎn)海風(fēng)電的核心技術(shù)，相較于需建造在海床的近海風(fēng)電，該技術(shù)能在利用遠(yuǎn)海海域高質(zhì)量風(fēng)能時(shí)，確保不對(duì)近海捕撈漁業(yè)造成不利影響。

不論近海風(fēng)電還是遠(yuǎn)海風(fēng)電，都涉及了水密性封裝問題，良好的水密性保障是海上風(fēng)機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。對(duì)于使用漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的遠(yuǎn)海風(fēng)電來說，不論葉片還是機(jī)艙以及其他組件，均是在陸上組裝之后，再運(yùn)到海上進(jìn)行對(duì)接安裝工作，可采用浮托安裝法，通過碼頭裝船、駁船設(shè)計(jì)選擇、定位、緩沖、檢測等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[5]。風(fēng)機(jī)在并網(wǎng)發(fā)電后將一直處于空氣鹽度和濕度都比較大的環(huán)境中，水密性保護(hù)就成為延長風(fēng)機(jī)受用壽命的核心。

3 水密性保護(hù)解決方法

水密性保護(hù)大主要是為了防范水汽的滲入，同起重機(jī)一樣，在風(fēng)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)表層下的凝露也會(huì)與空氣中的水分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，繼而出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，在發(fā)電設(shè)備外殼始終暴露在空氣中，不可避免地會(huì)接觸水汽的情況下，可以通過對(duì)金屬結(jié)構(gòu)使用涂料來進(jìn)行防腐蝕保護(hù)，并對(duì)葉片等結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封保護(hù)[6]。而對(duì)于電路中各元器件的水密性保護(hù)，可以使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行電子封裝，這種材料相對(duì)而言水密性會(huì)更強(qiáng)，還可以制成封裝構(gòu)件，確保各電子元器件的正常工作[7]。此外，長期浸泡在鹽分頗高的海水中的海底電纜防腐蝕問題，也是海上風(fēng)電水密性研究的重點(diǎn)，當(dāng)前的防護(hù)措施是使用瀝青進(jìn)行隔水，以達(dá)到防腐的目的。然而，當(dāng)下我國生產(chǎn)與使用的海纜對(duì)作為防腐涂層的瀝青還沒有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和牌號(hào)，為確保輸電線路持續(xù)正常運(yùn)行，這一問題有待解決[8]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的社會(huì)發(fā)展背景下，可充分利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢、將其與風(fēng)電行業(yè)相結(jié)合，使用大數(shù)據(jù)管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測海上風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行情況，使用信息化手段來增強(qiáng)電氣設(shè)備的可靠性監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組、變電站、輸電線路及其他設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的隱患。在此過程中，可使用模擬法、解析法、混合法等分析方法對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行可靠性分析，并針對(duì)海上風(fēng)電的發(fā)電機(jī)組、變電站、輸電線路等部分建立完善可靠性信息的實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)，確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，提早發(fā)現(xiàn)水汽可能導(dǎo)致的線路短路、腐蝕老化等問題[9]。最后，建立完善的海上風(fēng)電現(xiàn)代化運(yùn)維系統(tǒng)，通過“互聯(lián)網(wǎng)+海上風(fēng)電”，達(dá)到實(shí)時(shí)反饋、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、避免大的經(jīng)濟(jì)損失的目的[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，水密性保護(hù)是海上風(fēng)電的基礎(chǔ)性問題，目前，海上風(fēng)電的整體架構(gòu)尚不完善，但其發(fā)展?jié)摿薮?。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，會(huì)不斷地涌現(xiàn)各種新問題，解決問題的過程也是幫助海上風(fēng)電發(fā)展的過程。契合可持續(xù)發(fā)展的分布式清潔能源，才是未來能源領(lǐng)域的主力軍。