北極地區(qū)風(fēng)電資源的開發(fā)與利用

孫晨光 崔志飛 只 群 張郁靜

（國網(wǎng)天津東麗公司天津300300）

北極地區(qū)風(fēng)電資源的開發(fā)與利用

孫晨光 崔志飛 只 群 張郁靜

（國網(wǎng)天津東麗公司天津300300）

隨著全球傳統(tǒng)化石燃料的日益減少，溫室氣體大量排放，全球氣溫不斷升高，能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，清潔能源的應(yīng)用被提升為國家戰(zhàn)略。北極地區(qū)風(fēng)電資源極為豐富，基于特高壓交直流遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)，充分開發(fā)利用北極地區(qū)的風(fēng)能，并與俄羅斯遠(yuǎn)東西伯利亞地區(qū)的水能、天然氣等能源資源聯(lián)合開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)基于清潔能源的全球能源互聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)全球能源優(yōu)化配置。

北極風(fēng)電；清潔能源；能源互聯(lián)網(wǎng)；特高壓

在風(fēng)能、太陽能、潮汐能、生物能等新型清潔能源中，風(fēng)電能是技術(shù)最成熟、基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化且最具開發(fā)潛力的可再生能源發(fā)電技術(shù)之一。預(yù)計到2050年全球風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到108.7× 108kW，占全球電力總裝機(jī)容量的36.3%；隨著風(fēng)電技術(shù)的提高，風(fēng)電發(fā)電量將達(dá)到24.2×108kW·h，占全球發(fā)電量的近30%。據(jù)世界能源理事會（WEC）估算，環(huán)北極地區(qū)處于大陸沿?；蛭挥诒北?，常年風(fēng)速較高，年理論發(fā)電量、年技術(shù)可開發(fā)量分別占全球風(fēng)能資源的18.5%、17.2%，風(fēng)能資源豐富，具備成為全球清潔能源基地的資源條件。

1 風(fēng)電場宏觀選址

根據(jù)俄羅斯能源署《北極圈內(nèi)和遠(yuǎn)東地區(qū)風(fēng)電資源聯(lián)合開發(fā)前景研究報告》所示，綜合考慮平均風(fēng)速分布、平均風(fēng)功率密度、地質(zhì)條件、土地用途、港口條件、輸電線路等諸多因素，最終劃定泰梅爾半島、格達(dá)半島及薩哈林島北部區(qū)域為風(fēng)電場宏觀選址的第一批推薦區(qū)域。根據(jù)俄方的分析結(jié)果，這三個地區(qū)內(nèi)風(fēng)機(jī)發(fā)電額定功率利用率均在30%以上，部分地區(qū)理論最高額定功率利用率超過55.3%，對應(yīng)最高年等效利用時長達(dá)4844h。每個區(qū)域可建設(shè)功率為50GW的吉瓦級風(fēng)電場，可作為俄羅斯北極和遠(yuǎn)東地區(qū)優(yōu)先開發(fā)風(fēng)電場的地區(qū)。通過±1100kV特高壓直流輸電線路向南3000km經(jīng)哈薩克斯坦進(jìn)入中國新疆，與中國特高壓網(wǎng)絡(luò)鏈接，將源源不斷的北極風(fēng)電清潔能源輸送到我國東部地區(qū)。

2 風(fēng)電機(jī)組選型

北極風(fēng)電場建議采用雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動系統(tǒng)主要包括：風(fēng)輪、主軸軸承、主軸、增速齒輪箱、聯(lián)軸器、雙饋型發(fā)電機(jī)，結(jié)合北極潛在風(fēng)電場的風(fēng)能資源情況，功率等級推薦采用西門子單機(jī)容量2.3MW、5MW的機(jī)型。由于北極地區(qū)風(fēng)電場冬季可能出現(xiàn)-65℃～-70℃的極端低溫，現(xiàn)有風(fēng)電設(shè)備需進(jìn)行相關(guān)適應(yīng)性設(shè)計及采取專門措施來提高其耐寒性能。如金屬材料中需增加提高金屬沖擊韌性的合金元（Ni：鎳），潤滑系統(tǒng)中考慮加裝加熱裝置或開發(fā)專用的低溫潤滑油品，以及葉片除冰系統(tǒng)等。

3 風(fēng)電場工程建設(shè)

北極地區(qū)風(fēng)電施工難度較大，但不存在不可逾越的技術(shù)難題。在施工中應(yīng)充分考慮北極高緯度地區(qū)環(huán)境氣候特點(diǎn)，盡量選擇在夏季施工，并做好施工方案及技術(shù)措施。

3.1 海基風(fēng)電施工

破冰船可以在結(jié)冰的水面上開辟航道，用來運(yùn)輸基礎(chǔ)裝備和風(fēng)機(jī)。在選擇北極海域施工裝置時，首先，必須要把極端的環(huán)境因素考慮在內(nèi)，最基本的參數(shù)是氣溫、水深、海洋氣象、環(huán)境條件和作業(yè)時間。其次，要充分考慮作業(yè)區(qū)域海冰的影響，比如主要的冰特征（岸冰、極地冰、冰山、浮冰）和冰的漂流速度。根據(jù)這些參數(shù)來選擇施工裝置、海冰控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、施工裝置組件，比如安裝系統(tǒng)和水下設(shè)備、耐寒材料等，以確保海上風(fēng)電施工裝備的可靠性和完整性。

3.2 陸基風(fēng)電施工

陸基風(fēng)電施工難度較大，主要受到溫度、風(fēng)速、冰雪覆蓋、地貌復(fù)雜以及環(huán)境保護(hù)等方面因素的制約。北極地區(qū)地面多為永凍層，機(jī)械行走如果有坡度，則存在側(cè)滑可能。建議設(shè)計專業(yè)行走墊板，材質(zhì)盡量輕，便于人員徒手操作鋪墊，且墊板下面能夠與地面雪或冰固定以防止側(cè)滑。

據(jù)目前常規(guī)風(fēng)機(jī)安裝要求，塔筒吊裝風(fēng)力≥10m/s時不得進(jìn)行吊裝作業(yè)，機(jī)艙吊裝風(fēng)力≥10m/s時不得進(jìn)行吊裝作業(yè)，此外在風(fēng)機(jī)吊裝完畢進(jìn)入安裝環(huán)節(jié)，風(fēng)力≥18m/s時不得進(jìn)入風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝作業(yè)；在北極地區(qū)施工需要新的工藝技術(shù)，適度放寬作業(yè)條件。此外，北極地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，應(yīng)特別注意環(huán)境保護(hù)，將設(shè)備包裝物、垃圾、生活垃圾等集中收集，必要時運(yùn)輸至指定地區(qū)進(jìn)行處理。

4 風(fēng)電場對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響

工程施工行為會不可避免地擾動局部范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，例如使地面結(jié)皮或者壓實(shí)地表，對地表植被產(chǎn)生一定的破壞，造成植被踏踩，致使依靠食草類為主的野生動物數(shù)量減少。風(fēng)機(jī)噪聲、風(fēng)機(jī)布置對鳥類遷移等生物多樣性產(chǎn)生一定的影響。還可能影響到棲息于沼澤濕地越冬的侯鳥類種群，并有可能形成局部草原的荒漠化。施工過程中產(chǎn)生的含油污水、污水及廢氣、揚(yáng)塵，其排放方式的不當(dāng)或任意排放，將會污染當(dāng)?shù)厮w。機(jī)械車輛尾氣，采暖生活用煤及施工揚(yáng)塵將造成大氣環(huán)境污染。施工期的取棄土場、砂石料場、施工營地的選擇及布置不合理，或施工場地、施工機(jī)械、施工人員的違規(guī)操作及違法行為有可能對保護(hù)區(qū)的野獸動物活動產(chǎn)生一定的影響。

5 風(fēng)電外送目標(biāo)市場

5.1 近期目標(biāo)市場

考慮到俄羅斯貝加爾湖水電及風(fēng)電豐富，中亞五國也有豐富的風(fēng)電和太陽能資源。設(shè)想近中期喀拉海首先通過±1100kV特高壓直流輸電至西伯利亞貝加爾湖附近，繼續(xù)匯集部分水電和風(fēng)電后接力輸電至哈薩克斯坦，再由新疆進(jìn)入中國，與中國特高壓電網(wǎng)相聯(lián)，最終將電能輸送至東部沿海能源需求量巨大的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。折算至跨國輸電線路中俄分界點(diǎn)處的吉瓦級風(fēng)電場發(fā)電成本不應(yīng)超過0.41元/kW·h的電價水平。設(shè)想中遠(yuǎn)期喀拉海風(fēng)電通過±1100kV特高壓直流直接輸送至我國新疆，匯集新疆當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉措娏亢?，通過特高壓交流網(wǎng)送電至東部負(fù)荷密集地區(qū)。

5.2 遠(yuǎn)期目標(biāo)市場

北極風(fēng)電外送遠(yuǎn)期目標(biāo)市場主要包括東北亞、歐洲。東北亞（主要是中國、日本、韓國）電力需求總量大、增長快；歐洲電力需求總量大且資源貧乏，發(fā)展可再生能源的需求迫切。從地理位置看，亞洲和歐洲開發(fā)利用北極地區(qū)風(fēng)電資源具有地理優(yōu)勢。

6 結(jié)語

北極地區(qū)風(fēng)能資源豐富，可謂取之不盡的可再生能源寶庫。隨著特高壓直流輸電技術(shù)的成熟和不斷提升，北極這一世界風(fēng)能寶藏價值將不斷凸顯。開發(fā)北極風(fēng)電、利用北極地區(qū)推進(jìn)全球可再生能源開發(fā)與利用將成為人類能源史的里程碑。北極風(fēng)電為人類能源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供了解決方案。開發(fā)及外送利用，對優(yōu)化全球能源格局具有重要戰(zhàn)略意義。

[1]許昌,鐘淋涓.風(fēng)電場規(guī)劃與設(shè)計[D].水利水電出版社，2014:56-57．

[2]許軼.風(fēng)電場項目前期工作實(shí)用手冊[J].中國電力出版社，2011: 78-79．

[3]顧圣平,李曉英,王社亮．風(fēng)電場技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].水利水電出版社,2015:102-106．

[4]Alexey Piskarev．Energy Potential of the Russian Arctic Seas:Choice of Development Strategy[D].Elsevier,2012,237-244.

孫晨光（1989—），男，天津，本科，專責(zé)，電力系統(tǒng)研究方向。

崔志飛（1987—），男，天津，本科，專工，高壓輸電研究方向。

只群（1987—），男，天津，本科，班長，電力市場營銷研究方向。

張郁靜（1984—），女，天津，本科，主任助理，電力市場營銷研究方向。