淺析海上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及展望

宋育章

（加州大學(xué)河濱分校，美國(guó) 加州 92507）

風(fēng)力發(fā)電是世界上發(fā)展最快的綠色能源技術(shù)。2019年，全球新增風(fēng)電裝機(jī)量超過(guò)60GW，比2018年增長(zhǎng)19%，總裝機(jī)容量達(dá)到650GW，比2018年增長(zhǎng)10%。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首席技術(shù)專家Paul Dimotakis表示，風(fēng)能有可能提供世界未來(lái)能源的10%～15%。如果利用風(fēng)力強(qiáng)的海洋區(qū)域來(lái)獲取風(fēng)能，每平方米可能會(huì)收獲高達(dá)500～800瓦的風(fēng)能。美國(guó)風(fēng)能2020年將滿足電力需求的10%，2030年達(dá)到20%，2050年達(dá)到35%。海上風(fēng)力渦輪機(jī)在世界許多地方發(fā)電。最大的海上風(fēng)電場(chǎng)之一，由48臺(tái)渦輪機(jī)組成，位于丹麥和瑞典之間的波羅的海。專家估計(jì)，未來(lái)僅海上風(fēng)電就可以在全球每年供應(yīng)約5000太瓦時(shí)（TWh）的電力——約占全球年電力消耗量（約15500TWh）的1/3。為了確定潛在的風(fēng)電場(chǎng)位置，學(xué)者根據(jù)NASA快速散射儀收集的數(shù)據(jù)繪制地圖，可測(cè)量世界海洋上的風(fēng)速和風(fēng)向。衛(wèi)星通過(guò)大氣向海洋表面發(fā)送微波能量脈沖，并測(cè)量從風(fēng)化表面反射回來(lái)的能量。本文就海上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀、優(yōu)勢(shì)、支撐架構(gòu)及產(chǎn)業(yè)配套等方面進(jìn)行綜述和展望。

1 海上風(fēng)力發(fā)電的概述

1.1 海上風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)

海上風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生能源，發(fā)展迅速，前景廣闊，技術(shù)相對(duì)成熟，相較其他資源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能及地?zé)崮艿?，有以下?yōu)勢(shì)。首先，海上風(fēng)能資源豐富且風(fēng)能質(zhì)量高，海上風(fēng)速比陸上風(fēng)速高，近海岸距離達(dá)到10km的海面風(fēng)速通常是沿岸陸地上風(fēng)速的1.25倍；海面表面粗糙度小，風(fēng)切變較小，不需很高的塔架；其次，海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小，有穩(wěn)定的主導(dǎo)鳳向，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，一般是陸地風(fēng)力機(jī)組壽命的3倍；再次，海上風(fēng)的風(fēng)速隨高度的變化小，且海面粗糙度小，風(fēng)速的大小和方向一般變化較小；最后，海上風(fēng)電機(jī)組距海岸較遠(yuǎn)，視覺影響小，產(chǎn)生的噪音可忽略不計(jì)。

1.2 海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)選址

海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的選址十分重要，選擇的地質(zhì)稍有不慎會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目的失敗。進(jìn)行選址時(shí)，需受到制約的因素眾多，如管制區(qū)域的限制、環(huán)境生態(tài)要求及風(fēng)資源的條件等。選址的基本原則要考慮以下幾個(gè)方面：（1）風(fēng)資源的類型、頻率和周期，海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，海底的深度和最高波浪級(jí)別；（2）地理位置：避開航線和雷達(dá)及軍事設(shè)施，選擇接近陸地的地方并接近主要電網(wǎng)的中心，方便基礎(chǔ)工程實(shí)施；（3）極端情況考慮：地震類型及活躍程度、雷電等惡劣天氣的應(yīng)對(duì)措施等；（4）環(huán)境影響：符合當(dāng)?shù)爻鞘薪ㄔO(shè)規(guī)劃與海洋資源的開發(fā)利用，考慮海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，水中生物以及旅游產(chǎn)業(yè)造成的影響等，盡量減少對(duì)漁業(yè)的影響。我國(guó)是能源消耗大國(guó)，可再生資源和新能源是我國(guó)未來(lái)能源建設(shè)方向，目前正在大力發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，目前已建成海上風(fēng)力發(fā)電能源開發(fā)利用量超過(guò)20兆瓦，這種獨(dú)特的資源優(yōu)勢(shì)對(duì)我國(guó)發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)十分有利，可有效解決能源短缺問題。

1.3 海上風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)類型

海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)類型一般分為以下四種，分別是單樁風(fēng)機(jī)、重力式混凝土、沉箱多樁及吸力式風(fēng)機(jī)。每種機(jī)械都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。單樁風(fēng)機(jī)受到海底地質(zhì)條件和海水深度的影響，插入海床的深度與土壤的強(qiáng)度有關(guān)，安裝設(shè)備較為單一，一般安裝在海底10～25m的中等水域，優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)便，無(wú)須海床準(zhǔn)備，缺點(diǎn)是移動(dòng)困難，需要較高的費(fèi)用。重力式混凝土沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體積較大，靠自身重量固定風(fēng)機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)比較低廉、抗風(fēng)暴和風(fēng)浪襲擊能力強(qiáng)、穩(wěn)定性較高，缺點(diǎn)是在安裝時(shí)需要進(jìn)行海地測(cè)量準(zhǔn)備、施工時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)輸費(fèi)用大。多樁式，通常是為三腳樁適合在深海進(jìn)行建造，優(yōu)點(diǎn)在于重量輕、施工方便，缺點(diǎn)是成本高。最后一種是吸力式沉箱基礎(chǔ)，它適合安裝在砂性土及軟黏土的地區(qū)，可以細(xì)分為單柱及多柱吸力式，優(yōu)點(diǎn)為建造方法靈活，缺點(diǎn)為不穩(wěn)定。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型的選擇，取決于成本、水深、地質(zhì)與海床條件和安裝條件等。

2 影響海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的一些因素

目前正處于海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的黃金時(shí)期，影響海上風(fēng)力發(fā)電的因素主要有：海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量更大，制造技術(shù)變得復(fù)雜，工程建設(shè)成本較高，海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行和維護(hù)成本也很高。對(duì)海上風(fēng)場(chǎng)成本影響較高的因素有：離岸舉例、水域深度、升壓站的位置、風(fēng)機(jī)等基礎(chǔ)造價(jià)及人工費(fèi)用等。此外，海上風(fēng)電處于強(qiáng)腐蝕性的海洋環(huán)境，組件長(zhǎng)期暴露在外，防腐蝕防護(hù)問題面臨巨大挑戰(zhàn)。而且，海上氣候環(huán)境惡劣且復(fù)雜多變，風(fēng)電機(jī)組的吊裝、項(xiàng)目施工及運(yùn)行難度大，需要加強(qiáng)氣候監(jiān)測(cè)能力，科學(xué)制定吊裝和施工方案等應(yīng)對(duì)措施。

3 我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展

《中國(guó)電力發(fā)展報(bào)告2016》顯示，我國(guó)風(fēng)電規(guī)模已成為全國(guó)第三大電源，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)1.49億kW，占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘拷?0%。由于我國(guó)東部沿海地區(qū)海上風(fēng)能資源豐富而常規(guī)能源缺乏，且工業(yè)基礎(chǔ)雄厚、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、環(huán)境保護(hù)要求高，因此，海上風(fēng)能資源的利用尤為重要。據(jù)估計(jì)，5～50m水深、70m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約5億kW。近海風(fēng)場(chǎng)的可開發(fā)風(fēng)能資源是陸地上實(shí)際可開發(fā)風(fēng)能資源儲(chǔ)量的3倍，未來(lái)發(fā)展空間巨大。我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電最初開始于2007年中海油渤海，目前我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)已投產(chǎn)約38.9萬(wàn)kW。里程碑式的是2010年上海市東海大橋10萬(wàn)kW海上風(fēng)電場(chǎng)，為亞洲首座大型海上風(fēng)電場(chǎng)。此外，隨著國(guó)家對(duì)新能源資源的重視和工業(yè)水平的進(jìn)一步發(fā)展，我國(guó)已具備開發(fā)建設(shè)海上風(fēng)電的良好條件，未來(lái)具有健康、規(guī)?；陌l(fā)展勢(shì)頭。

4 對(duì)未來(lái)海上風(fēng)力發(fā)電的展望

海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的配套是風(fēng)電開發(fā)規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵。美國(guó)目前正打算需要用風(fēng)力渦輪機(jī)安裝船的特殊船只來(lái)達(dá)到擴(kuò)大海上風(fēng)力發(fā)電量的需求，截至2020年，全球只有32艘這樣的風(fēng)力渦輪船船只。對(duì)于目前的情況，我國(guó)目前已有十幾種專業(yè)風(fēng)電安裝船，未來(lái)也可以參考改進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)安裝船，使海上風(fēng)力發(fā)電更進(jìn)一步，針對(duì)目前已有的幾艘海上風(fēng)力發(fā)電船只的技術(shù)繼續(xù)發(fā)展。在未來(lái)的清潔能源領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)后來(lái)居上，在能源短缺的問題上提供相應(yīng)的解決措施。

5 結(jié)語(yǔ)

新能源的開發(fā)與利用有利于我國(guó)低碳社會(huì)和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源，更是當(dāng)前值得提倡的發(fā)展方向之一，陸地風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟促使風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，為海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上的提高會(huì)使我們未來(lái)的用電成本進(jìn)一步下降，也能讓海上風(fēng)能得到進(jìn)一步的利用。