導讀
海上風電由于具有風能穩(wěn)定、密度大等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)已逐漸發(fā)展成為風力發(fā)電的重要形式。在深遠海域，風能資源更豐富，風湍流強度與海面粗糙度較近海更小，因此深遠海域海上風電技術的研究和開發(fā)成為了當今海上風電發(fā)展的新趨勢，其作為風電技術的制高點，正在成為海上風電產(chǎn)業(yè)眾多參與方追捧的熱點。英國、丹麥、德國等海上風電技術領先國家已紛紛將海上風電的研究方向投向深遠海領域。在我國，由于近海海域日益緊張，同時，深遠海域風電場的建設和運行對于海洋、漁業(yè)、軍事、海事通航以及城市居民等利益相關方的不利影響相對更小，長遠來看，海上風力發(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，隨著全球海上風電逐步向深海、遠海進發(fā)，浮式海上風電技術作為新一代海上風電技術，獲得了業(yè)內(nèi)的廣泛關注。在深遠海風電開發(fā)方面歐洲仍處于領先地位，英國、德國等海上風電大國均積極發(fā)展和布局深遠海項目。根據(jù)相關預測，2025年歐洲遠海風電（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，深遠海風電發(fā)展呈現(xiàn)設備大型化、風場規(guī)?；内厔荩喾N類型的漂浮式風場也逐步進入商業(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電場，這也成為浮式海上風電技術大規(guī)模應用的開端。
據(jù)初步了解，英國計劃到2030年安裝40GW海上風電，大力發(fā)展浮式海上風電，2020年英國在建水深最深的風場正是浮式項目，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年之前建設完成，屆時可以支撐180GW容量的海上風電機組。
2021年4月，美國油氣巨頭雪佛龍宣布正式涉足浮式海上風電領域，與挪威公司進行合作，共同開發(fā)10兆瓦浮式海上風電樣機，成為加入浮式海上風電研發(fā)領域的最新一員。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電領域，在多國開啟了浮式海上風電項目的示范探索。與此同時，西班牙漂浮式技術公司X1 Wind獲得400萬歐元資金支持，將其創(chuàng)新的漂浮式設計PivotBuoy推向市場，并希望這項技術能在全球廣泛應用。
2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
中國海岸線長，可利用海域面積廣，海上風力資源儲備豐富。風能資源普查結果顯示，中國5~25m水深、50m高度海上風電開發(fā)潛力約2億kW，5~50m水深、70m高度海上風電開發(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，深遠海風電將成為未來海上風電發(fā)展的重要方向。
目前，我國主流的海上風電機組安裝在近海區(qū)域，遠海風電產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。與近海風電場相比，深遠海風電場的送出通道與并網(wǎng)方式面臨更嚴苛的要求。因此，大容量海上風電遠距離送出是深遠海風電開發(fā)利用亟需解決的技術難題。2016年4月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》其中明確要求風電技術發(fā)展將“深海風能”提上日程。
從長期來看，深遠海打開海風想象空間，降本支撐平價時代可持續(xù)發(fā)展。我國海上風電潛在可供開發(fā)的資源接近3000GW，其中50米水深以內(nèi)的固定式海風資源1400GW，漂浮式海風資源1582GW。截至2021年末，我國海上風電累計裝機僅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”期間海上風電發(fā)展計劃，11省市“十四五”開工或規(guī)劃的海風總規(guī)模已接近110GW，計劃并網(wǎng)容量達到51GW左右；各省海風規(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)目標僅是保底量，樂觀估計“十四五”海風新增裝機70GW以上，同比增加700%+。
從短期來看，前置指標招標規(guī)?？捎^，海上風電即將開啟中長期向上周期。截至9月末，2022年公開市場海上風機招標9.4GW；從招標趨勢來看，海上風電2022年招標預計達到15GW以上（包含非公開市場&EPC招標），同比增長430%。在目前的招標量指引下，預計2023年海上風電新增裝機在12GW左右，同比增速100%+，海上風電即將開啟中長期向上周期。此外，海上風電項目一般提前1-2年招標，2024-2025年的海風裝機將在2023年開始招標。根據(jù)“十四五”裝機規(guī)劃，我們預計2024-2025年裝機預計在35GW以上，因此2023年海風招標預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+首批深遠海海上風電示范項目；海南萬寧漂浮式海上風電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、三海風項目離岸距離93.5km，汕頭中澎一、二、三海風項目離岸距離95km。隨著深遠海釋放項目的逐步推出，未來海上風電項目平均離岸距離將進一步增加，海上風電建設空間預計進一步打開。
深遠海與近海風電裝備區(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，對風機基礎、海底電纜、海上平臺集成等技術無疑提出了更嚴苛的要求。然而，與近海風電場相比，深海風電場的建設主要區(qū)別和難點更在于機組基礎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機組基礎形式
基礎是風電機組賴以持續(xù)穩(wěn)定工作的平臺，是海上風電場的重要組成部分，對風電項目的運行質(zhì)量和投資效益影響較大，目前基礎的施工和運維費用約占海上風電總投資的15%~25%。
按照基礎是否與海床直接接觸，可將現(xiàn)有的海上風電基礎分為著床式和漂浮式兩種結構形式，或稱為固基和浮基。
著床式基礎與陸上風電類似，著床式基礎又包含單樁基礎、導管架式基礎等，適用于近海區(qū)域(水深小于50m的情況)，已被大量應用于目前已建成的海上風電場，技術成熟，經(jīng)驗豐富。
漂浮式基礎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，使風電機組可在某一相對固定區(qū)域內(nèi)自由移動，該類基礎目前主要處于研發(fā)和示范階段，但對海洋環(huán)境的適應性較強，與著床式基礎相比施工難度較小、運維成本低，因此在發(fā)展深海風電方面具有良好的應用前景。
漂浮式基礎主要包括四種類型，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電場建設過程中施工難度最高和風險最大的環(huán)節(jié)，直接決定了整個項目的成敗。
機組安裝技術包括安裝平臺和安裝方式兩個部分。目前大部分海上風電機組的運輸、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，便于裝載風機，作業(yè)穩(wěn)定性較強，目前應用較為廣泛。自航自升船既可在海上自由航行，又可在目標區(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機“五月花”號就是這種船型。
3安裝方式
海上風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海域按照基礎→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)域的漂浮式基礎風電機組，應根據(jù)具體的基礎型式選擇安裝技術。其中，單柱式平臺基礎的機組應首選整體安裝，裝配完成后由起重船運送并放置于目標地點；張力腿平臺基礎的風電機組可在目標地點將基礎平臺固定后，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的風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地點。
根據(jù)以上對風電機組基礎型式及機組安裝技術的分析，可以發(fā)現(xiàn)目前深海風力發(fā)電技術已初步具備了技術可行性，將來通過借鑒海洋油氣開發(fā)及船舶工程經(jīng)驗，其技術成熟度和可行性將進一步提高。
結語
相比于國外深遠海風力發(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，這只是固定式技術開發(fā)的風電場。從這個統(tǒng)計上來看，我國海上風電的發(fā)展已經(jīng)是進入到了深遠海時代。此外，進入深遠海領域中，一些技術難題也應運而生，這是我們每一位風電人都要面臨的挑戰(zhàn)，總之，深遠海風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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