導(dǎo)讀
海上風(fēng)電由于具有風(fēng)能穩(wěn)定、密度大等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)已逐漸發(fā)展成為風(fēng)力發(fā)電的重要形式。在深遠海域，風(fēng)能資源更豐富，風(fēng)湍流強度與海面粗糙度較近海更小，因此深遠海域海上風(fēng)電技術(shù)的研究和開發(fā)成為了當(dāng)今海上風(fēng)電發(fā)展的新趨勢，其作為風(fēng)電技術(shù)的制高點，正在成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)眾多參與方追捧的熱點。英國、丹麥、德國等海上風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)先國家已紛紛將海上風(fēng)電的研究方向投向深遠海領(lǐng)域。在我國，由于近海海域日益緊張，同時，深遠海域風(fēng)電場的建設(shè)和運行對于海洋、漁業(yè)、軍事、海事通航以及城市居民等利益相關(guān)方的不利影響相對更小，長遠來看，海上風(fēng)力發(fā)電從潮間帶和近海走向深海遠岸將是必然趨勢。
深遠海風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀
1國際發(fā)展現(xiàn)狀
近年來，隨著全球海上風(fēng)電逐步向深海、遠海進發(fā)，浮式海上風(fēng)電技術(shù)作為新一代海上風(fēng)電技術(shù)，獲得了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。在深遠海風(fēng)電開發(fā)方面歐洲仍處于領(lǐng)先地位，英國、德國等海上風(fēng)電大國均積極發(fā)展和布局深遠海項目。根據(jù)相關(guān)預(yù)測，2025年歐洲遠海風(fēng)電（離岸距離大于70千米）裝機將達到1000萬千瓦。從歐洲的開發(fā)經(jīng)驗來看，深遠海風(fēng)電發(fā)展呈現(xiàn)設(shè)備大型化、風(fēng)場規(guī)?；内厔荩喾N類型的漂浮式風(fēng)場也逐步進入商業(yè)運行示范階段。
2017年，全球首座商業(yè)化運行的蘇格蘭Hywind浮式海上風(fēng)電場正式投用，裝機30兆瓦，其平均容量系數(shù)甚至高于英國其他海上風(fēng)電場，這也成為浮式海上風(fēng)電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的開端。
據(jù)初步了解，英國計劃到2030年安裝40GW海上風(fēng)電，大力發(fā)展浮式海上風(fēng)電，2020年英國在建水深最深的風(fēng)場正是浮式項目，水深達67米。英國北海Hornsea Project One項目采用174臺西門子歌美颯7兆瓦機組，裝機121.8萬千瓦，離岸120千米，水深23～37米，首臺機組2019年2月并網(wǎng)，該項目為目前世界最大的在建海上風(fēng)電項目；同一海域Hornsea Project Two項目處于前期階段，采用165臺西門子歌美颯8兆瓦機組，裝機132萬千瓦，平均離岸距離89千米。
丹麥能源署公布了建立能源島的計劃，能源島選址需考慮到多方因素，暫未公布確切地址，但據(jù)了解將位于日蘭半島以西的北海上，距海岸線80-120公里，每個能源島海上風(fēng)電裝機容量至少為10GW。據(jù)悉，丹麥能源島項目將于2050年之前建設(shè)完成，屆時可以支撐180GW容量的海上風(fēng)電機組。
2021年4月，美國油氣巨頭雪佛龍宣布正式涉足浮式海上風(fēng)電領(lǐng)域，與挪威公司進行合作，共同開發(fā)10兆瓦浮式海上風(fēng)電樣機，成為加入浮式海上風(fēng)電研發(fā)領(lǐng)域的最新一員。挪威能源企業(yè)Equinor、法國油氣公司道達爾、西班牙能源企業(yè)Iberdrola等歐洲能源公司也相繼入局浮式海上風(fēng)電領(lǐng)域，在多國開啟了浮式海上風(fēng)電項目的示范探索。與此同時，西班牙漂浮式技術(shù)公司X1 Wind獲得400萬歐元資金支持，將其創(chuàng)新的漂浮式設(shè)計PivotBuoy推向市場，并希望這項技術(shù)能在全球廣泛應(yīng)用。
2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
中國海岸線長，可利用海域面積廣，海上風(fēng)力資源儲備豐富。風(fēng)能資源普查結(jié)果顯示，中國5~25m水深、50m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約2億kW，5~50m水深、70m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約5億kW。因此，考慮資源潛力、消納能力以及近海海域用地日益緊張等因素，深遠海風(fēng)電將成為未來海上風(fēng)電發(fā)展的重要方向。
目前，我國主流的海上風(fēng)電機組安裝在近海區(qū)域，遠海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。與近海風(fēng)電場相比，深遠海風(fēng)電場的送出通道與并網(wǎng)方式面臨更嚴(yán)苛的要求。因此，大容量海上風(fēng)電遠距離送出是深遠海風(fēng)電開發(fā)利用亟需解決的技術(shù)難題。2016年4月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》其中明確要求風(fēng)電技術(shù)發(fā)展將“深海風(fēng)能”提上日程。
從長期來看，深遠海打開海風(fēng)想象空間，降本支撐平價時代可持續(xù)發(fā)展。我國海上風(fēng)電潛在可供開發(fā)的資源接近3000GW，其中50米水深以內(nèi)的固定式海風(fēng)資源1400GW，漂浮式海風(fēng)資源1582GW。截至2021年末，我國海上風(fēng)電累計裝機僅26.4GW，占可供開發(fā)資源的比例不到1%，未來還有充足的成長空間。此外，沿海11省市均提出了“十四五”期間海上風(fēng)電發(fā)展計劃，11省市“十四五”開工或規(guī)劃的海風(fēng)總規(guī)模已接近110GW，計劃并網(wǎng)容量達到51GW左右；各省海風(fēng)規(guī)劃不僅為“十四五”裝機提供了保底，也在提前布局“十五五”。我們認為各省并網(wǎng)目標(biāo)僅是保底量，樂觀估計“十四五”海風(fēng)新增裝機70GW以上，同比增加700%+。
從短期來看，前置指標(biāo)招標(biāo)規(guī)?？捎^，海上風(fēng)電即將開啟中長期向上周期。截至9月末，2022年公開市場海上風(fēng)機招標(biāo)9.4GW；從招標(biāo)趨勢來看，海上風(fēng)電2022年招標(biāo)預(yù)計達到15GW以上（包含非公開市場&EPC招標(biāo)），同比增長430%。在目前的招標(biāo)量指引下，預(yù)計2023年海上風(fēng)電新增裝機在12GW左右，同比增速100%+，海上風(fēng)電即將開啟中長期向上周期。此外，海上風(fēng)電項目一般提前1-2年招標(biāo)，2024-2025年的海風(fēng)裝機將在2023年開始招標(biāo)。根據(jù)“十四五”裝機規(guī)劃，我們預(yù)計2024-2025年裝機預(yù)計在35GW以上，因此2023年海風(fēng)招標(biāo)預(yù)計依然維持快速增長。
從規(guī)劃端來看，目前多地正在積極布局深海海上風(fēng)電示范項目，例如，2022年9月份上海推出了4.3GW+首批深遠海海上風(fēng)電示范項目；海南萬寧漂浮式海上風(fēng)電1GW試驗項目一期工程正在進行可行性研究，該項示范項目一期200MW計劃2025年底前建成并網(wǎng)，二期工程800MW計劃2027年底前建成并網(wǎng)。另外，從已規(guī)劃項目離岸距離來看，以廣東海風(fēng)項目為例，陽江青洲一、二、四、五、六、七項目離岸距離已經(jīng)達到50-70km，汕頭南澎一、二、三海風(fēng)項目離岸距離93.5km，汕頭中澎一、二、三海風(fēng)項目離岸距離95km。隨著深遠海釋放項目的逐步推出，未來海上風(fēng)電項目平均離岸距離將進一步增加，海上風(fēng)電建設(shè)空間預(yù)計進一步打開。
深遠海與近海風(fēng)電裝備區(qū)別
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、淘空等長期理化作用，對風(fēng)機基礎(chǔ)、海底電纜、海上平臺集成等技術(shù)無疑提出了更嚴(yán)苛的要求。然而，與近海風(fēng)電場相比，深海風(fēng)電場的建設(shè)主要區(qū)別和難點更在于機組基礎(chǔ)型式和機組安裝方式兩個方面，因此需要重新評估和考慮。
1機組基礎(chǔ)形式
基礎(chǔ)是風(fēng)電機組賴以持續(xù)穩(wěn)定工作的平臺，是海上風(fēng)電場的重要組成部分，對風(fēng)電項目的運行質(zhì)量和投資效益影響較大，目前基礎(chǔ)的施工和運維費用約占海上風(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，或稱為固基和浮基。
著床式基礎(chǔ)與陸上風(fēng)電類似，著床式基礎(chǔ)又包含單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架式基礎(chǔ)等，適用于近海區(qū)域(水深小于50m的情況)，已被大量應(yīng)用于目前已建成的海上風(fēng)電場，技術(shù)成熟，經(jīng)驗豐富。
漂浮式基礎(chǔ)的概念來源于深海油氣開發(fā)平臺，是指塔筒不與海床直接接觸，而通過錨索或纜繩將其與海底相連，使風(fēng)電機組可在某一相對固定區(qū)域內(nèi)自由移動，該類基礎(chǔ)目前主要處于研發(fā)和示范階段，但對海洋環(huán)境的適應(yīng)性較強，與著床式基礎(chǔ)相比施工難度較小、運維成本低，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)主要包括四種類型，分別是立柱式平臺、半潛式平臺、張力腿平臺和駁船型平臺，四種基礎(chǔ)的性能和使用場景有所區(qū)別，具體情況如表1。
2安裝船舶
海上氣候惡劣，有效作業(yè)時間短，機組安裝是整個海上風(fēng)電場建設(shè)過程中施工難度最高和風(fēng)險最大的環(huán)節(jié)，直接決定了整個項目的成敗。
機組安裝技術(shù)包括安裝平臺和安裝方式兩個部分。目前大部分海上風(fēng)電機組的運輸、吊裝、維修主要依托于現(xiàn)有的船舶平臺進行。隨著離岸距離越來越遠及機組功率越來越大，近年來已陸續(xù)出現(xiàn)新建或改裝的專業(yè)化海上風(fēng)機吊裝平臺，主要包括傳統(tǒng)起重船(自航非自升)、起重安裝船(自升非自航)和自航自升起重船3種類型。
起重船能夠配備用于各種水上作業(yè)的起重機，可以進行運輸和安裝作業(yè)，受水深限制較小，過淺水區(qū)需要考慮吃水線，其他區(qū)域不需要考慮。自升非自航風(fēng)電安裝船，一般配備4~8個樁腿，在施工現(xiàn)場將樁腿插入海底以固定平臺，通過配備的液壓升降裝置調(diào)整安裝船船體，再利用配備的起重機進行風(fēng)機的安裝；沒有自航能力，只能依靠拖船拖，機動性差，效率較低，但其甲板寬闊，便于裝載風(fēng)機，作業(yè)穩(wěn)定性較強，目前應(yīng)用較為廣泛。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，具備一定的航速和操縱靈活性，可以一次性運載更多風(fēng)機，進行安裝和移位時速度較快，工作效率高，是運輸和安裝海上風(fēng)電機組的理想船型，英國2004年開發(fā)的世界上第一艘專門用于安裝海上風(fēng)機“五月花”號就是這種船型。
3安裝方式
海上風(fēng)電機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→機艙→葉片的順序依次將機組的各主要部件裝配成一個整體，這種施工方法與陸上風(fēng)電場類似，適用于潮間帶及近海區(qū)域，目前運行的多數(shù)風(fēng)電場均按該方法建造；而整體安裝則是在岸邊將機組各部件裝配成一個整體，豎直放置于運輸船運送并安放至目標(biāo)地點，以減少海況對裝配精度的影響，作業(yè)費用較低，這種施工方法是近年發(fā)展起來的，也已有成功案例。
對適用于深海區(qū)域的漂浮式基礎(chǔ)風(fēng)電機組，應(yīng)根據(jù)具體的基礎(chǔ)型式選擇安裝技術(shù)。其中，單柱式平臺基礎(chǔ)的機組應(yīng)首選整體安裝，裝配完成后由起重船運送并放置于目標(biāo)地點；張力腿平臺基礎(chǔ)的風(fēng)電機組可在目標(biāo)地點將基礎(chǔ)平臺固定后，由自航自升船進行分體安裝塔筒、機艙及葉片；而駁船型和半潛式平臺基礎(chǔ)的風(fēng)電機組則可在岸邊進行整體安裝，后由拖船將其整體拖曳至目標(biāo)地點。
根據(jù)以上對風(fēng)電機組基礎(chǔ)型式及機組安裝技術(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，將來通過借鑒海洋油氣開發(fā)及船舶工程經(jīng)驗，其技術(shù)成熟度和可行性將進一步提高。
結(jié)語
相比于國外深遠海風(fēng)力發(fā)電的進展，我們國家起步較晚，但目前國內(nèi)開發(fā)的風(fēng)電場最遠距離也達到了100公里左右，水深達到了50米，這只是固定式技術(shù)開發(fā)的風(fēng)電場。從這個統(tǒng)計上來看，我國海上風(fēng)電的發(fā)展已經(jīng)是進入到了深遠海時代。此外，進入深遠海領(lǐng)域中，一些技術(shù)難題也應(yīng)運而生，這是我們每一位風(fēng)電人都要面臨的挑戰(zhàn)，總之，深遠海風(fēng)電未來的路注定不會是一片坦途，但挑戰(zhàn)總是與機遇時刻并存，我們?nèi)沃囟肋h。
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