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(diǎn)，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(yuǎn)海域，風(fēng)能資源更豐富，風(fēng)湍流強(qiáng)度與海面粗糙度較近海更小，因此深遠(yuǎn)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(shì)，其作為風(fēng)電技術(shù)的制高點(diǎn)，正在成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)眾多參與方追捧的熱點(diǎn)。英國(guó)、丹麥、德國(guó)等海上風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家已紛紛將海上風(fēng)電的研究方向投向深遠(yuǎn)海領(lǐng)域。在我國(guó)，由于近海海域日益緊張，同時(shí)，深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)和運(yùn)行對(duì)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(duì)更小，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，海上風(fēng)力發(fā)電從潮間帶和近海走向深海遠(yuǎn)岸將是必然趨勢(shì)。
深遠(yuǎn)海風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀
1國(guó)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(yuǎn)海進(jìn)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(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)方面歐洲仍處于領(lǐng)先地位，英國(guó)、德國(guó)等海上風(fēng)電大國(guó)均積極發(fā)展和布局深遠(yuǎn)海項(xiàng)目。根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，2025年歐洲遠(yuǎn)海風(fēng)電（離岸距離大于70千米）裝機(jī)將達(dá)到1000萬千瓦。從歐洲的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)來看，深遠(yuǎn)海風(fēng)電發(fā)展呈現(xiàn)設(shè)備大型化、風(fēng)場(chǎng)規(guī)?；内厔?shì)，多種類型的漂浮式風(fēng)場(chǎng)也逐步進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行示范階段。
2017年，全球首座商業(yè)化運(yùn)行的蘇格蘭Hywind浮式海上風(fēng)電場(chǎng)正式投用，裝機(jī)30兆瓦，其平均容量系數(shù)甚至高于英國(guó)其他海上風(fēng)電場(chǎng)，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(guó)計(jì)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(guó)在建水深最深的風(fēng)場(chǎng)正是浮式項(xiàng)目，水深達(dá)67米。英國(guó)北海Hornsea Project One項(xiàng)目采用174臺(tái)西門子歌美颯7兆瓦機(jī)組，裝機(jī)121.8萬千瓦，離岸120千米，水深23～37米，首臺(tái)機(jī)組2019年2月并網(wǎng)，該項(xiàng)目為目前世界最大的在建海上風(fēng)電項(xiàng)目；同一海域Hornsea Project Two項(xiàng)目處于前期階段，采用165臺(tái)西門子歌美颯8兆瓦機(jī)組，裝機(jī)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(jì)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(gè)能源島海上風(fēng)電裝機(jī)容量至少為10GW。據(jù)悉，丹麥能源島項(xiàng)目將于2050年之前建設(shè)完成，屆時(shí)可以支撐180GW容量的海上風(fēng)電機(jī)組。
2021年4月，美國(guó)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(jìn)行合作，共同開發(fā)10兆瓦浮式海上風(fēng)電樣機(jī)，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(guó)油氣公司道達(dá)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(guó)開啟了浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目的示范探索。與此同時(shí)，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(jì)PivotBuoy推向市場(chǎng)，并希望這項(xiàng)技術(shù)能在全球廣泛應(yīng)用。
2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
中國(guó)海岸線長(zhǎng)，可利用海域面積廣，海上風(fēng)力資源儲(chǔ)備豐富。風(fēng)能資源普查結(jié)果顯示，中國(guó)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(yuǎn)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(guó)主流的海上風(fēng)電機(jī)組安裝在近海區(qū)域，遠(yuǎn)海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。與近海風(fēng)電場(chǎng)相比，深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)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(yuǎn)距離送出是深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)利用亟需解決的技術(shù)難題。2016年4月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)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(zhǎng)期來看，深遠(yuǎn)海打開海風(fēng)想象空間，降本支撐平價(jià)時(shí)代可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)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(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)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(zhǎng)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(jì)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(jì)劃并網(wǎng)容量達(dá)到51GW左右；各省海風(fēng)規(guī)劃不僅為“十四五”裝機(jī)提供了保底，也在提前布局“十五五”。我們認(rèn)為各省并網(wǎng)目標(biāo)僅是保底量，樂觀估計(jì)“十四五”海風(fēng)新增裝機(jī)70GW以上，同比增加700%+。
從短期來看，前置指標(biāo)招標(biāo)規(guī)模可觀，海上風(fēng)電即將開啟中長(zhǎng)期向上周期。截至9月末，2022年公開市場(chǎng)海上風(fēng)機(jī)招標(biāo)9.4GW；從招標(biāo)趨勢(shì)來看，海上風(fēng)電2022年招標(biāo)預(yù)計(jì)達(dá)到15GW以上（包含非公開市場(chǎng)&EPC招標(biāo)），同比增長(zhǎng)430%。在目前的招標(biāo)量指引下，預(yù)計(jì)2023年海上風(fēng)電新增裝機(jī)在12GW左右，同比增速100%+，海上風(fēng)電即將開啟中長(zhǎng)期向上周期。此外，海上風(fēng)電項(xiàng)目一般提前1-2年招標(biāo)，2024-2025年的海風(fēng)裝機(jī)將在2023年開始招標(biāo)。根據(jù)“十四五”裝機(jī)規(guī)劃，我們預(yù)計(jì)2024-2025年裝機(jī)預(yù)計(jì)在35GW以上，因此2023年海風(fēng)招標(biāo)預(yù)計(jì)依然維持快速增長(zhǎng)。
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(xiàng)目，例如，2022年9月份上海推出了4.3GW+首批深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電示范項(xiàng)目；海南萬寧漂浮式海上風(fēng)電1GW試驗(yàn)項(xiàng)目一期工程正在進(jìn)行可行性研究，該項(xiàng)示范項(xiàng)目一期200MW計(jì)劃2025年底前建成并網(wǎng)，二期工程800MW計(jì)劃2027年底前建成并網(wǎng)。另外，從已規(guī)劃項(xiàng)目離岸距離來看，以廣東海風(fēng)項(xiàng)目為例，陽江青洲一、二、四、五、六、七項(xiàng)目離岸距離已經(jīng)達(dá)到50-70km，汕頭南澎一、二、三海風(fēng)項(xiàng)目離岸距離93.5km，汕頭中澎一、二、三海風(fēng)項(xiàng)目離岸距離95km。隨著深遠(yuǎn)海釋放項(xiàng)目的逐步推出，未來海上風(fēng)電項(xiàng)目平均離岸距離將進(jìn)一步增加，海上風(fēng)電建設(shè)空間預(yù)計(jì)進(jìn)一步打開。
深遠(yuǎn)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(zhǎng)期理化作用，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海底電纜、海上平臺(tái)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(chǎng)相比，深海風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)主要區(qū)別和難點(diǎn)更在于機(jī)組基礎(chǔ)型式和機(jī)組安裝方式兩個(gè)方面，因此需要重新評(píng)估和考慮。
1機(jī)組基礎(chǔ)形式
基礎(chǔ)是風(fēng)電機(jī)組賴以持續(xù)穩(wěn)定工作的平臺(tái)，是海上風(fēng)電場(chǎng)的重要組成部分，對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目的運(yùn)行質(zhì)量和投資效益影響較大，目前基礎(chǔ)的施工和運(yùn)維費(fèi)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(chǎng)，技術(shù)成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富。
漂浮式基礎(chǔ)的概念來源于深海油氣開發(fā)平臺(tái)，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(jī)組可在某一相對(duì)固定區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，該類基礎(chǔ)目前主要處于研發(fā)和示范階段，但對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，與著床式基礎(chǔ)相比施工難度較小、運(yùn)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(tái)、半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)和駁船型平臺(tái)，四種基礎(chǔ)的性能和使用場(chǎng)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(shí)間短，機(jī)組安裝是整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中施工難度最高和風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)，直接決定了整個(gè)項(xiàng)目的成敗。
機(jī)組安裝技術(shù)包括安裝平臺(tái)和安裝方式兩個(gè)部分。目前大部分海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸、吊裝、維修主要依托于現(xiàn)有的船舶平臺(tái)進(jìn)行。隨著離岸距離越來越遠(yuǎn)及機(jī)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(jī)吊裝平臺(tái)，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(jī)，可以進(jìn)行運(yùn)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(gè)樁腿，在施工現(xiàn)場(chǎng)將樁腿插入海底以固定平臺(tái)，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(jī)進(jìn)行風(fēng)機(jī)的安裝；沒有自航能力，只能依靠拖船拖，機(jī)動(dòng)性差，效率較低，但其甲板寬闊，便于裝載風(fēng)機(jī)，作業(yè)穩(wěn)定性較強(qiáng)，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(yùn)載更多風(fēng)機(jī)，進(jìn)行安裝和移位時(shí)速度較快，工作效率高，是運(yùn)輸和安裝海上風(fēng)電機(jī)組的理想船型，英國(guó)2004年開發(fā)的世界上第一艘專門用于安裝海上風(fēng)機(jī)“五月花”號(hào)就是這種船型。
3安裝方式
海上風(fēng)電機(jī)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(jī)艙→葉片的順序依次將機(jī)組的各主要部件裝配成一個(gè)整體，這種施工方法與陸上風(fēng)電場(chǎng)類似，適用于潮間帶及近海區(qū)域，目前運(yùn)行的多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)均按該方法建造；而整體安裝則是在岸邊將機(jī)組各部件裝配成一個(gè)整體，豎直放置于運(yùn)輸船運(yùn)送并安放至目標(biāo)地點(diǎn)，以減少海況對(duì)裝配精度的影響，作業(yè)費(fèi)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(duì)適用于深海區(qū)域的漂浮式基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)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(tái)基礎(chǔ)的機(jī)組應(yīng)首選整體安裝，裝配完成后由起重船運(yùn)送并放置于目標(biāo)地點(diǎn)；張力腿平臺(tái)基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組可在目標(biāo)地點(diǎn)將基礎(chǔ)平臺(tái)固定后，由自航自升船進(jìn)行分體安裝塔筒、機(jī)艙及葉片；而駁船型和半潛式平臺(tái)基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組則可在岸邊進(jìn)行整體安裝，后由拖船將其整體拖曳至目標(biāo)地點(diǎn)。
根據(jù)以上對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式及機(jī)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(yàn)，其技術(shù)成熟度和可行性將進(jìn)一步提高。
結(jié)語
相比于國(guó)外深遠(yuǎn)海風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)展，我們國(guó)家起步較晚，但目前國(guó)內(nèi)開發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)最遠(yuǎn)距離也達(dá)到了100公里左右，水深達(dá)到了50米，這只是固定式技術(shù)開發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)。從這個(gè)統(tǒng)計(jì)上來看，我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展已經(jīng)是進(jìn)入到了深遠(yuǎn)海時(shí)代。此外，進(jìn)入深遠(yuǎn)海領(lǐng)域中，一些技術(shù)難題也應(yīng)運(yùn)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(yuǎn)海風(fēng)電未來的路注定不會(huì)是一片坦途，但挑戰(zhàn)總是與機(jī)遇時(shí)刻并存，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)。
評(píng)論