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在2015年第1期《新能源进展》杂志的文章中,海上风电从潮间带和近海走向深海远岸将是必然趋势。现有的机组基础型式及安装技术势必不能满足新的环境要求。漂浮式基础、整体安装及自航自升式施工平台极有可能成为未来海上风力发电的主流技术。北半球中纬度附近海域在发展深海风电方面具有独特优势及迫切需求,我国需尽早进行规划和部署相关技术及产业。

相较于陆上风力发电,海上风力发电具有不占用土地资源、风速高且稳定、湍流强度小、视觉及噪声污染小、靠近负荷中心等优势,近年来得到了许多国家的重视。德国、英国、丹麦等国家在发展海上风电方面走在了世界的前列,目前欧洲的装机容量约占世界海上风电总装机容量的90%,主要集中在北海、波罗的海和英吉利海峡等地[1,2]。

根据测算,距离海岸线越远,风速越大,发电量增加越明显,离岸10km的海上风速通常比沿岸高约25%。另据统计,2010年欧洲已建成的海上风电场平均水深为17.4 m,离岸平均距离为27.1 km;2012年平均水深22m,离岸平均距离29km;而从目前正在建设、批准或规划的项目来看,平均水深和离岸距离已分别达到了215m和200km[3,4]。因此,今后随着潮间带及近海区域风电资源的开发强度逐渐饱和以及沿海地区环境保护呼声的日益强烈[5],

长远来看,海上风力发电从潮间带和近海走向深海远岸将是必然趋势。一般认为,离岸距离达到50 km或水深达到50 m的风电场即可称为深海风电场[6]。

在发展深海风电方面,欧洲继续走在了世界的前列,世界上首个着床式深海风电场和首个漂浮式深海风电场分别在苏格兰和挪威建成运行[7,14],但美国和日本已经意识到其重要性并开始急起直追[8,9]。

1 技术现状与分析

与近海相比,深海环境更加恶劣,存在着海流、波浪、潮汐、内波等多种水文现象以及腐蚀、冲刷、淘空等长期理化作用,对风机基础、海底电缆、海上平台集成等技术无疑提出了更严苛的要求[10,11]。

然而,与近海风电场相比,深海风电场的建设主要区别和难点更在于机组基础型式和机组安装方式两个方面,因此需要重新评估和考虑。

1.1 基础型式

基础是风电机组赖以持续稳定工作的平台,是海上风电场的重要组成部分,对风电项目的运行质量和投资效益影响较大,目前基础的施工和运维费用约占海上风电总投资的15% ~ 25%。

按照基础是否与海床直接接触,可将现有的海上风电基础分为着床式和漂浮式两种结构形式,或称为固基和浮基。其中,着床式基础与陆上风电类似,通过钢桩、沉箱、网架等结构将塔筒固定于海床上,该基础适用于近海区域(水深小于50 m),已被大量应用于目前已建成的海上风电场,技术成熟,经验丰富。

而漂浮式基础的概念来源于深海油气开发平台,是指塔筒不与海床直接接触,而通过锚索或缆绳将其与海底相连,使风电机组可在某一相对固定区域内自由移动,该类基础目前主要处于研发和示范阶段,但对海洋环境的适应性较强,与着床式基础相比施工难度较小、运维成本低,因此在发展深海风电方面具有良好的应用前景。

漂浮式基础主要包括四种类型,分别是单柱式平台、张力腿平台、驳船型平台和半潜式平台。其中,单柱式平台又称Spar平台(如图1a所示),即利用固定在浮力罐中心底部的配重(压仓物)来实现塔筒平台的稳定,在系泊系统和主体浮力控制下,具有良好的动力稳定性[12]。

张力腿平台(TensionLeg Platform,TLP)利用系缆张力实现平台的稳定性,即通过处于拉伸状态的张力腿将塔筒平台与海底连接,从而抑制平台垂直方向上的运动而实现水平方向上的相对运动[13],如图1b所示。

驳船型平台结构最为简单(如图1c所示),它利用大平面的重力扶正力矩使整个平台保证稳定,其原理与一般船舶无异。半潜式平台主要由立柱、桁架、压水板和固定缆绳构成,其设计灵活,是一种吃水较浅的改进型张力腿平台[14],如图1d所示。表1列出了4种主要漂浮式基础的基本性能对比情况。

上述4种平台均已在海洋油气开发中得到了大量应用和充分验证,近年来陆续被提出应用于深海风电开发中并进行了研究和论证。2009年,世界首个海上漂浮式风力发电站“Hywind”在挪威海岸附近的北海正式投运,采用的就是Spar浮体结构[18],2013年在日本长崎海域实现商业化运行,单机容量2 MW,由日立公司开发,项目名称为“HAENKAZE”。

而2011年葡萄牙电力公司建成的“WindFloat”MW级漂浮式海上风电机组则采用了半潜式平台结构,由美国Principle Power公司开发,单机规模6MW,正处于示范阶段。此外,还有一些漂浮式基础概念结构处于设计和试验阶段,比如Sea Twirl、SWAY、BlueH和Poseidon等[3]。

通过对比可以发现,这些浮体结构基本上都是在上述4种平台基础上的改进或综合。

1.2 机组安装

由于海上气候恶劣,有效作业时间短,所以机组安装是整个海上风电场建设过程中施工难度最高和风险最大的环节[19],直接决定了整个项目的成败。

机组安装技术包括安装平台和安装方式两个部分。目前大部分海上风电机组的运输、吊装、维修主要依托于现有的船舶平台进行。随着离岸距离越来越远及机组功率越来越大,近年来已陆续出现新建或改装的专业化海上风机吊装平台[20],主要包括传统起重船(自航非自升)、起重安装平台(自升非自航)和自航自升起重船3 种类型[21]。

其中,自航自升船既可在海上自由航行,又可在目标区域自由升降,是运输和安装海上风电机组的理想船型,英国2004 年开发的世界上第一艘专门用于安装海上风机“五月花”号就是这种船型[22]。

海上风电机组的安装主要包括两种方式:分体安装和整体安装。分体安装是指在目标海域按照基础→塔筒→机舱→叶片的顺序依次将机组的各主要部件装配成一个整体,这种施工方法与陆上风电场类似,适用于潮间带及近海区域,目前运行的多数风电场均按该方法建造;而整体安装则是在岸边将机组各部件装配成一个整体,竖直放置于运输船运送并安放至目标地点,以减少海况对装配精度的影响,作业费用较低,这种施工方法是近年发展起来的,也已有成功案例[23-24]。

对适用于深海区域的漂浮式基础风电机组,应根据具体的基础型式选择安装技术。其中,单柱式平台基础的机组应首选整体安装,装配完成后由起重船运送并放置于目标地点;张力腿平台基础的风电机组可在目标地点将基础平台固定后,由自航自升船进行分体安装塔筒、机舱及叶片;而驳船型和半潜式平台基础的风电机组则可在岸边进行整体安装,后由拖船将其整体拖曳至目标地点。

根据以上对风电机组基础型式及机组安装技术的分析,可以发现目前深海风力发电技术已初步具备了技术可行性,将来通过借鉴海洋油气开发及船舶工程经验,其技术成熟度和可行性将进一步提高。

2 发展重点及技术建议

研究表明,全球大部分海域单位面积的风能储量在2×103 (kW.h)/m2,属于风能资源的富集区。据估算,全球海深60-900 m 区域风电机组装机容量约为17.4×108kW,因此深海风力发电潜力巨大[25]。

根据全球海域风能资源分析可知,南北半球西风带资源最为丰富但破坏性天气频发(如我国南海地区),赤道附近和两极海域风能资源较为贫乏,对比发现,适宜开发海上风电的区域主要分布在南北半球中纬度附近海域[26-27]。

结合经济发达程度、能源需求量及风能资源情况来看,未来一段时期可能重点发展深海风电的区域包括[28]:

(1)欧洲大西洋沿岸以及冰岛沿海,包括北海、波罗的海、地中海、比斯开湾等海域;

(2)北美洲东西海岸沿海,包括哈德森湾、墨西哥湾、圣罗伦斯湾及美国西海岸等海域;

(3)东北亚地区沿海,包括渤海、黄海、日本海等海域。

上述海域风能资源丰富,平均风速约在8-9m/s左右,沿岸聚集了英国、德国、法国、美国、日本等发达经济体以及中国、俄罗斯、韩国、墨西哥等新兴经济体,电力需求量大,且远离台风等破坏性天气多发区域[29],因而应当是发展深海风电的理想地区。

基于发展深海风电的可行性和必要性,我国应提前谋划,加大工作力度,采取有力措施,推动深海风力发电技术的实用化和规模化发展。主要包括:

(1)启动深海区域风能资源探测和海床地质条件勘测工作,提前规划渤海和黄海海域深海风电场发展布局及输电线路走向

(2)部署开发适应深海地理气候环境特点(如抗海冰、抗台风、抗盐雾等)的风电机组[30],并积极进行示范和实证;

(3)进一步验证和对比4 种漂浮式基础的经济性和实用性,积累深海风电机组的运输、施工、吊装、维护和运行经验,逐步形成标准规范;

(4)以当前海洋工程装备为基础,进一步开发集运输和吊装功能于一体的船舶平台,同时培育专业化施工运维服务公司;

(5)积极参与国际合作,共同开发深海风电机组与深海风电场,同时形成自主知识产权。

3 结论

随着能源需求的逐步增加及近海风能资源的渐次减少,深海区域必将成为风力发电技术的主战场。从目前开发趋势来看,未来几年海上风电场的离岸距离将增加到50km以上,因此现有的机组基础型式及安装技术势必不能满足新的环境要求。
漂浮式基础、整体安装及自航自升式施工平台极有可能成为未来的主流技术。北半球中纬度附近海域在发展深海风电方面具有独特的优势及迫切的需求,我国需尽早进行规划和部署。

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