海上风电由于其资源丰富、风速稳定、对环境的负面影响较少,风电机组距离海岸较远,视觉干扰很小;允许机组制造更为大型化,从而可以增加单位面积的总装机量;可以大规模开发等优势,一直受到风电开发商的关注。但是,海上风电施工困难、对风机质量和可靠性要求高,自1991年丹麦建成第一个海上风电场以来,海上风电一直处于实验和验证阶段,发展缓慢。随着风电技术的进步,海上风电开始进入风电开发的日程。2000年,丹麦政府在哥本哈根湾建设了世界上第一个商业化意义的海上风电场,安装了20台2兆瓦的海上风机。此后,世界各国开始考虑海上风电的商业化开发。目前全世界建成的海上风电场有30余座,装机容量达到了100 万千瓦[ 1 ] 。海上风电技术正在完善,海上风电场开始进入规模化发展阶段,潜力巨大。本研究主要介绍国外海上风电发展的现状及存在的问题,探讨海上风电技术发展的前景。
国外海上风力发电的发展现状
国外海上风电经过近20年的发展,呈现出3个重要特征。
丹麦、德国和欧盟是海上风电发展倡导者
尽管世界海上风电装机容量已经达到了100万千瓦,但是大约40%在丹麦,其余分布在德国、英国、爱尔兰、瑞典和意大利等。丹麦是一个岛国,近海面积远远大于陆地面积,地处波罗地海,海风风速稳定,没有灾害性台风影响,有利于开发海上风电场。目前,丹麦建成了7个海上风电场,总装机容量达到40万千瓦。因此,丹麦是海上风电先导者,也是海上风电的倡导者。在丹麦的积极倡导和设备供应商的推动下,欧盟在2004年将海上风电的开发提上日程。按照欧盟风能协会的计算, 2020年风电装机容量将达到1. 8亿千瓦,海上风电约为8 000万千瓦。欧盟各国为海上风电项目审批实行一站式服务,为海上风电项目的开发提供方便;建立统一海上风电联网机制,建立近海海底电缆联网系统,方便海上风电的接入;各国分享已经取得的海上风电的经验和教训,联合进行技术研发并尽可能形成规模化海上风电的开发;明确海上风电过网费的分担水平,给开发商明确的价格政策信息;充分利用海洋开发的数据和经验,要求海洋、海事、海运部门为海上风电开发提供技术支持,以便选择最适合开发的风电场。欧洲风能协会和各电网公司联合制定海上风电上网的技术标准和技术要求,方便海上风电的上网。
在欧盟政策的鼓励下,德国也开始了海上风电的发展。德国陆地风能资源较好地区的开发程度已经较高,海上风电开发目前正式进入德国的开发日程。针对当前海上风电电价过低的局面,德国计划修改电价方案,即基本电价为14欧分/千瓦时,并可随着水深和离岸距离的增加而适当增加。德国风能协会预计：2020年陆地风能的安装潜力在4 500万千瓦,海上要发展1 000万～1 200万千瓦,合计约5 500万千瓦;2020年风电可满足20% ～25%德国电力消费需求。德国政府远期海上风电发展计划是: 2030年前要发展2 000万～2 500万千瓦的海上风电。
欧盟国家是海上风电的先行者,也已为海上风电的开发做了大量的准备工作,一旦时机成熟,将着手推动海上风电的更大规模发展。
海上风电开发技术上可行,装备不是其制约因素
虽然海上开发有许多特殊制约条件,如盐雾问题导致的防腐问题,地质条件复杂导致的施工困难,但是经过对现有海上风电场与风电设备的考察发现,海上风电设备的故障率远低于陆上。究其原因主要是:陆上风机稳定可靠地运行已经有了20多年的经验,对海上风电技术装备提供了技术基础;设备供应商经过近十年的研究和适应,充分考虑了海上风电的特殊需要,参考海上钻井平台的运行经验,对设备运行和维护提出了相应的技术要求和维修维护预案;各设备供应商大多对海上风电进行了长期的研究和实验,比如丹麦的维斯塔斯对丹麦的海上风电进行了10多年的研究和开发积累,具有了海上风电设备实际商业化运行的经验。因此,装备技术已经不再是发展海上风电的阻碍。
投资大和成本高将是制约海上风电开发的主要因素
发电成本是海上风电发展的瓶颈,研究表明,按照目前的技术水平和20年设计寿命计算,海上风电的发电成本约合人民币0. 42 元(或0. 05 美元) /千瓦时。这是由于海上风电的初期投资费用较高,特殊基础结构的建造和并网连接所占份额最大,一般要占总投资的一半以上;海上风电成本也与单机容量和风电场装机台数有关,同一基础安装更大容量的风电机组会更经济,海上风电场总装机容量在10万千瓦以上比较经济;海上风电场的运行和维护费用也很高。为减少维修次数,在海上恶劣天气条件下停运设备降低了可用率;为使风电机组适合海上运行,要采取气密、干燥、换热、防腐处理等特别措施;为方便维修风电机组需设计、安装的特殊装置,这些都造成发电成本的增加。目前,海上风电场的总投资中,基础结构占15% ～25%,而陆上风电场仅为5%～10% 。因此,发展低成本的海上风电基础结构是降低海上风电成本的一个主要途径。
海上风电的发展趋势
风电技术发展迅速,成本持续下降
海上风电场总投资成本一般比陆上风电场总投资成本高出2倍左右[ 5 ] ,其中基础、安装及电网接入成本远远大于陆上。虽然建设成本相对较高,但海上风电场拥有优越的风资源,不占用陆地面积等显著优点,它的经济价值和社会价值正得到越来越多的认可。同时海上风电场安装容量的增加、风机尺寸和风机布置规模的扩大、大功率风机的研制开发和安装运输技术的成熟,海上风电成本及运营成本也在逐步下降,海上风电将得到进一步的发展[ 6 ] 。
欧盟委托欧洲风能协会制定风机发展的标准和认证体系,协调各个风机制造商,在技术创新的同时,把相对稳定机型和频谱、避免机型出现混乱、增加零部件的通用性和互换性、提高可靠性和稳定性、降低发电成本作为重要目标。过去的发展更多的是依靠技术进步,以后更多的是依赖于规模化、系列化和标准化降低成本。一旦大规模投入市场,通过规模化、系列化和标准化,可以大幅度降低售价,从而降低发电成本。世界风能理事会估计,到2020年,海上风机的造价可以降低40%以上,发电成本可以同幅下降。
国外有关机构也对如何降低海上风电成本进行了研究,提出了以下应对措施:提高海上风机的可靠性,延长使用寿命,提高免维护时间,降低维护和维修费用;适当大规模开发,合理安排施工时间;充分利用已知海洋地质和气象资料,减少开发初期投入;适当降低噪声要求和塔架高度,降低造价。
政府支持仍然是欧洲海上风电发展的主要因素
海上风电是当前提倡的低碳经济发展项目之一,政策的积极支持是海上风电产业发展的主要因素。海上风电利用海上风能资源,是一种清洁的可再生能源,与传统的燃煤发电相比,海上风电不依赖外部能源,没有碳排放等环境成本,不会造成大气污染和产生任何有害物质,是理想的绿色能源。正是因为有这些独特的优势,风力发电逐渐成为许多国家可持续发展的重要组成部分。
尽管风电成本开始大幅度下降,在资源好的条件下,在考虑环境外部成本特别是碳税的情况下,基本上可以同煤电和油电相竞争,但是风电由于其间歇式等技术问题,需要政府的协调和支持,才能有效地发挥电网企业的积极性,突破风电上网瓶颈,保障风电的顺利发展。欧盟把发展可再生能源作为应对气候变化、能源来源多样化、保障能源安全和经济发展新的增长点的重要措施,制定若干政策和机制,积极推动可再生能源的发展。为了发展海上风电,欧盟已经决定建设环大西洋欧洲沿岸的海底电缆网,为海上风电的输送和调度提供基础设施保障,现在已经进入勘探设计阶段。在风能资源普查方面,欧盟绘制了统一的风能资源图,还配合海上风电开发,开始绘制海上风能资源图,为风电的开发奠定数据支持基础。
海上风电技术的发展
在海上风电发展中,注重提升风电技术,最快速地降低成本是海上风电发展的重要目标。
海上风能资源评估技术
若想利用海上风能,需要搞清楚近海区域上的风的变化规律及特征,主要有以下几种方法:利用沿岸陆地气象观测数据、船舶报数据及气压数据和海面风场数值模拟。其中利用沿岸陆地气象观测数据是常采用的方法。将获得的海上一段时期内的气象资料与岸边同步观测的气象资料进行对比分析. 从而推测出对应海区的风况特征。为弥补海上气象观测稀缺和近岸海域数据不连续等问题,通过建立风场数值模型模拟计算出一个区域内风能的分布。模拟计算中考虑许多对近地面的风切变有重要影响的过程如海陆风、逆温等。
海上风电机组
由于海上风机的安装、运行、维护较陆地困难且成本高,增大单机发电功率、减小单机数量,推动风机向更大方向发展。海上风电机组呈现大型化的趋势,多选用高叶尖速设计参数,以减轻塔顶机舱和叶片的重量,节约材料,降低成本。大型风机的发展需要新材料、新工艺、新概念技术支撑,碳纤维塑料因其较强刚度、质轻、使用寿命长等优点而在叶片制造中广泛应用。
为了承受海上的强风载荷、海上腐蚀和波浪冲击等,海上风电机组的基础结构复杂、技术难度高、建设成本高。海上风电机组基础由塔架和海底地基组成,按结构类型可分为单桩结构、重力式、桶形结构和悬浮式[ 11-13 ] 。其中单桩结构具有结构简单和安装方便,是目前海上风电场应用最多的一种结构。对于变动的海床,由于单桩打入海底较深,该基础形式有较大优势。桶形基础是一种新型的海洋工程基础结构形式,由于它的材料和安装成本低于单桩基础而受到海上风力发电行业的青睐,大大地节省了钢材用量和海上施工时间,运输也较容易,有良好的应用前景。浮式结构是海上风电机组基础结构的深水结构形式,可以克服海床底部安装基础结构受水深限制的缺点,主要用于50 m以上水深海域[ 14 ] 。浮式结构分为多风机漂浮平台和单风机漂浮平台,前者多风机共用一个锚定系统,有利于整体的质量优化,但因稳定性不容易满足和所耗费的成本过高而不予考虑;后者具有结构简单,成本低,单体设计加工方便等优点。国外相关研究表明,侧重于采用单风机漂浮平台,研究的重点是降低锚定系统成本。
海上风电场设计
近年来,海上风电项目从单台机组逐步发展为大中型风电场建设。海上风电场的设计对海上风电场的技术性和经济性至关重要,包括机组的排列和风电场控制方式。
海上风电机组的排列方式应考虑海床的结构以及环境、地理和技术条件等的限制,应尽可能地避免风电机组的相互干扰,减少风电机组的尾流所造成的损失,优化利用海域面积,使单位面积的装机容量或发电量最大化。为降低成本,风电机组应尽可能地布置在浅水、且海底平坦的海域。
海上大型风电场并网方式一般采用两种方法,多台风机并联后连接到一个换流器再并网,或者采用带分散风机控制直接并网。后者每台风机有自己的换流器,可靠性大幅提高,不会因单一换流器故障导致全部风机不能输送电能到电网,同时传输容量提高,可以分别控制单台风机工作在理想状态。随着海上风力发电量的不断增加,海上风电并网将面临新的技术问题,一是海上风电的输送,二是风电场动态稳定性对电网的影响。提高风电的可控性是今后发展的方向,除了风电机组的控制技术,还应注重研究风电的短期气象预报和风电场的集中控制策略。在电网技术方面,通过技术和管理措施,尽可能地保持风电机组与其他发电机组的同步。
海上风电技术经过近20年的发展已经得到了较大提高。但海上风能开发的主要问题在于成本过高和安装运输不便。随着海上风电技术的成熟,海上风力发电的成本也将不断下降。海上风电机组呈现大型化的发展趋势,其中在浅海或近海区域,单桩基础是目前海上风电场应用最多的一种结构;浮式结构适用于深海区域,单风机漂浮平台是目前研究的重点。海上风电场逐渐发展为大中型风电场,机组的排列及风电场控制得到了进一步优化。
海上风能资源是一种清洁的永续能源,在各国政策的积极支持下,海上风电技术的提高和风电开发成本的下降促使海上风电规模化发展,海上风能将得到更深入、更大范围的开发和利用。