風(fēng)從海上來 電送千萬家

文／何 亮 劉莉

從山東濰坊港乘船出海，兩個小時后，寬廣的渤海海面上出現(xiàn)一派壯麗景象：一臺臺百米高的白色風(fēng)電機組迎風(fēng)矗立，猶如一排排筆直挺立的高大士兵。這里是山東昌邑市海洋牧場與三峽集團300兆瓦海上風(fēng)電融合試驗示范項目海上風(fēng)電場。10月31日，這里的工程師迎風(fēng)作業(yè)，對海上風(fēng)機進行著精細調(diào)試，為即將到來的并網(wǎng)發(fā)電做著積極準(zhǔn)備。

截至2021年底，我國海上風(fēng)電累計裝機26.38吉瓦，占全球海上風(fēng)電裝機總量的48%，位居全球第一。

面對大風(fēng)，風(fēng)電技術(shù)研發(fā)人員化身“御風(fēng)者”，乘風(fēng)而上、化風(fēng)為寶，將強勁的海風(fēng)轉(zhuǎn)化為一度度清潔電能，為我國綠色低碳的新能源發(fā)展闖出一條新路。

黨的二十大報告指出，“加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系”“加強能源產(chǎn)供儲銷體系建設(shè)，確保能源安全?！?5年來，我國海上風(fēng)電從無到有，從探索期、培育期進入了高速發(fā)展期，海上風(fēng)電的布局也從潮間帶、淺海，逐漸向深遠海挺進。

2022年起，我國海上風(fēng)電的補貼全面取消，海上風(fēng)電行業(yè)將進入低成本、規(guī)?；陌l(fā)展階段。通過技術(shù)創(chuàng)新、降本增效提升市場競爭力成為必然。

為何選擇與大海博弈

1991年，距離丹麥海岸線兩公里的海域，11臺白色風(fēng)車組成的“鋼鐵森林”迎風(fēng)傲立，“童話王國”的海岸線出現(xiàn)了世界上第一座海上風(fēng)電場。

全球海上風(fēng)電起源于歐洲，迄今海上風(fēng)電已有約30年歷史。全球風(fēng)能理事會發(fā)布的《全球風(fēng)能報告2022》顯示，2021年，全球海上風(fēng)電新增裝機容量21.1吉瓦，同比增長兩倍，創(chuàng)歷史最大增幅。

為應(yīng)對氣候變化，各國都在能源結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式上尋求變革?！队茉窗踩珣?zhàn)略》提出，2030年，海上風(fēng)電裝機達到50吉瓦。德國海上風(fēng)電預(yù)計在2030年達到30吉瓦。美國計劃到2030年累計裝機達到30吉瓦。

大海到底有何魔力，吸引各國爭相將大風(fēng)車矗立在蔚藍的海面上？

與陸上建設(shè)風(fēng)電場相比，海上風(fēng)能資源豐富、儲量大，可集中連片大規(guī)模開發(fā)。而且，海上的風(fēng)資源稟賦好，風(fēng)速大、功率密度高；更為關(guān)鍵的是，風(fēng)電場的建設(shè)需要大量的空間場地，海洋面積廣闊，沒有地表障礙物限制，可不斷向遠海深海開拓。

在我國，發(fā)展海上風(fēng)電有特別的優(yōu)勢。我國海上風(fēng)電資源豐富，相比于陸上風(fēng)電資源，其到達沿海等高能源需求地區(qū)的距離短、成本低，適合大規(guī)模開發(fā)。福建、浙江、山東、江蘇、廣東等用電大省，正好都是沿海地區(qū)。

“應(yīng)從兩個方面認識海上風(fēng)電的重要定位：戰(zhàn)略意義上，海上風(fēng)電對實現(xiàn)我國碳達峰碳中和目標(biāo)具有重要地位；科技意義上，風(fēng)電各產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)是國際必爭的制高點。”中國工程院院士、中國華能集團原董事長舒印彪說。

海上風(fēng)電是高度資本密集型行業(yè)，它的健康發(fā)展離不開政策管理和長期規(guī)劃的完善。近年來，我國海上風(fēng)電發(fā)展迅速，行業(yè)崛起的背后是國家政策的大力支持。

作為海上風(fēng)電發(fā)展的親歷者，中國三峽新能源（集團）股份有限公司副總經(jīng)理、黨委委員呂鵬遠見證了我國海上風(fēng)電發(fā)展的三個階段。

2007—2011年為探索規(guī)劃期，《海上風(fēng)電場工程規(guī)劃工作大綱》出爐，正式啟動我國沿海地區(qū)海上風(fēng)電規(guī)劃。

2012—2017年為重點培育期，《全國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案》等系列規(guī)劃方案出臺，海上風(fēng)電成為我國風(fēng)電發(fā)展的重點任務(wù)，數(shù)個規(guī)?；暮Ｉ巷L(fēng)電場建成?！笆濉蹦┢谑俏覈懮巷L(fēng)電向海上風(fēng)電發(fā)力轉(zhuǎn)型的“分水嶺”。呂鵬遠介紹，當(dāng)時，六座千萬千瓦級風(fēng)電基地集中在“三北”地區(qū)，由于本地消納能力不足，外送通道短缺，大量清潔風(fēng)電被“遺棄”。國家能源局的數(shù)據(jù)顯示，2015年全國風(fēng)電棄風(fēng)率為15%，成為有史以來棄風(fēng)最嚴重的年份。也正是在2015年前后，我國海上風(fēng)電建設(shè)迎來了提速。

2018—2021年底為快速發(fā)展期，《關(guān)于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》出臺，我國海上風(fēng)電加快從近海向遠海邁進的腳步。

從全球范圍看，現(xiàn)階段海上風(fēng)電整體仍處于發(fā)展初級階段。根據(jù)全球風(fēng)能理事會統(tǒng)計，截至2021年，全球海上風(fēng)電累計裝機規(guī)模為56吉瓦，在全球風(fēng)電總裝機中只占7%。

我國擁有18萬公里的海岸線，200多萬平方公里的大陸架和6500多個島嶼，海上風(fēng)資源技術(shù)開發(fā)潛力超過3500吉瓦。如今，我國新增海上風(fēng)電規(guī)模已位居全球第一，成為全球最重要的海上風(fēng)電市場之一。

在國家政策加持下，國內(nèi)多家海上風(fēng)電企業(yè)開始與大海的博弈。

將風(fēng)機搬進海洋并非易事

2007年，遼東渤海灣，中海油綏中36-1油田的鉆井平臺上，赫然立起一個與石油開采不相干的龐然大物。近40米高的白色塔筒托舉著風(fēng)機機頭，三支約40米長的葉片迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)，就像一位全副武裝的鋼鐵巨人在與海風(fēng)搏斗。

這是我國第一臺在海洋環(huán)境中運行的直驅(qū)永磁風(fēng)電機組，這臺由新疆金風(fēng)科技股份有限公司（以下簡稱金風(fēng)科技）研制的試驗樣機裝機容量僅有1.5兆瓦，機型還是陸上風(fēng)機的機型。而在當(dāng)時，國外的海上風(fēng)機已經(jīng)能做到3.6兆瓦。這意味著要縮短與國外的差距，我國海上風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈要追趕數(shù)年。

當(dāng)渤海灣的這臺機組點亮第一盞燈時，也點亮了中國海上風(fēng)電繼續(xù)遠航的燈塔。

然而，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從陸地走向海洋絕非易事，首當(dāng)其沖便是自然環(huán)境更為復(fù)雜。在陸地上架設(shè)風(fēng)機只需考慮風(fēng)載荷的影響，但在海上，風(fēng)機遭遇的環(huán)境載荷來自風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用。南方沿海臺風(fēng)頻發(fā)，渤海冬季海冰入侵，對風(fēng)機和基礎(chǔ)的強度與疲勞性能提出更高要求。此外，高濕、高鹽的環(huán)境會加劇對葉片的腐蝕，不光導(dǎo)致發(fā)電量的下降，嚴重時還會損毀風(fēng)機設(shè)備。

呂鵬遠告訴科技日報記者，海底地形、地質(zhì)較為復(fù)雜，特別是東海、南海海域起伏陡峭、遍布礁石及孤石，有的海底高差大，有的裸巖堅硬如鐵，對工程施工提出了嚴苛的要求。面對復(fù)雜的海洋環(huán)境，只有大力推進科技創(chuàng)新，才能實現(xiàn)風(fēng)力資源的高效利用。

“十一五”至“十三五”期間，國家層面支持風(fēng)電產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新的力度不斷加強，863計劃、國家科技支撐計劃、國家重點研發(fā)計劃在風(fēng)電領(lǐng)域設(shè)立科研項目，密集支持海上風(fēng)電機組關(guān)鍵零部件的研制與測試技術(shù)的開發(fā)，并在2019年的可再生能源與氫能技術(shù)項目中，布局面向深遠海的大功率海上風(fēng)電機組及關(guān)鍵部件的設(shè)計研發(fā)項目。

2010年6月，亞洲首座海上風(fēng)電場——上海東海大橋海上風(fēng)電項目并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國海上風(fēng)電建設(shè)進入實戰(zhàn)階段。迎著海風(fēng)展翅高旋，每年將2.67億度電通過海底電纜送回陸地，可供上海20余萬戶居民使用一年。

今年2月22日，我國自主研制、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的13兆瓦抗臺風(fēng)型海上風(fēng)電機組在福建福清下線。這是迄今為止亞洲地區(qū)單機容量最大、葉輪直徑最大的風(fēng)電機組，國產(chǎn)化率達到了90%。

13兆瓦風(fēng)電機組有多大？它的輪轂中心高度達130米，相當(dāng)于43層樓高，它的葉輪直徑相當(dāng)于三個福建艦航母并排的寬度。大功率（兆瓦數(shù)）風(fēng)機，是名副其實的“海上風(fēng)電大國重器”。單就這一臺風(fēng)機，轉(zhuǎn)一圈能發(fā)電23千瓦時，可以讓25瓦的電燈點亮38個晝夜。

起步雖晚的中國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，牢牢抓住發(fā)展機遇。從2007年首臺1.5兆瓦風(fēng)機，到2009年東海大橋3兆瓦風(fēng)機，再到2017年興化灣風(fēng)電場6.7兆瓦風(fēng)機，直到今年13兆瓦風(fēng)機下線，我國海上風(fēng)機制造能力走在了世界前列。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)公布的數(shù)據(jù)，2021年全球風(fēng)電整機制造商排名中，我國風(fēng)電整機制造商占據(jù)了前10名中的6席。

15年來，中國海上風(fēng)機的單機容量翻了3番，以每年一個兆瓦的速度在增加。從跟跑，到并跑，再到實現(xiàn)領(lǐng)跑，這是中國海上風(fēng)電人的夢想。作為海上風(fēng)電大機型“孵化器”的福建三峽海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園，見證了這個夢想的實現(xiàn)。

發(fā)展海上風(fēng)電，福建海域有一個非常重要的優(yōu)勢：受季風(fēng)和臺灣海峽“狹管效應(yīng)”的影響，福建風(fēng)力資源豐富，是中國乃至世界海上風(fēng)電的極佳地。但是，風(fēng)好也意味著海上風(fēng)電建設(shè)的窗口期少、浪大?！叭绻陂_發(fā)難度最大的地方將海上風(fēng)電圓滿地建設(shè)起來，那么我們建其它地方的海上風(fēng)電就能更容易。”負責(zé)海上風(fēng)機安裝的中交第三航務(wù)工程局有限公司相關(guān)負責(zé)人說。

為了海上風(fēng)機的創(chuàng)新應(yīng)用，2017年9月，三峽集團在福建福清興化灣擺下全球海上風(fēng)電“奧運”競技場，建設(shè)了國內(nèi)第一個海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園。金風(fēng)科技、上海電氣、明陽智能、東方電氣、GE等8家國內(nèi)外知名風(fēng)機廠家的14臺風(fēng)機同場競技，目標(biāo)是遴選出最適合我國海上風(fēng)電發(fā)展的風(fēng)機，以推進海上風(fēng)電高端裝備國產(chǎn)化、大型化。

金風(fēng)科技總裁曹志剛回憶說，福建興化灣風(fēng)電場對風(fēng)機的要求達到或者接近當(dāng)時國際先進水平，單機容量實現(xiàn)6.7兆瓦?！皩χ袊L(fēng)電裝備制造業(yè)來說，從3兆瓦提升到6.7兆瓦，尤其是在臺風(fēng)頻發(fā)的東南沿海，保證風(fēng)機快速穩(wěn)定運行并不是件簡單的事情?！辈苤緞傊毖?。

單機容量擴增一倍多，風(fēng)機機頭的重量將由不足200噸提升到400噸，葉片的直徑由過去的121米達到了154米，風(fēng)機的掃風(fēng)面積相當(dāng)于2.5個足球場。將這樣的龐然大物穩(wěn)穩(wěn)地立在海上，對工程建設(shè)是巨大挑戰(zhàn)。

呂鵬遠清楚地記得，當(dāng)時參加比賽的兩個外國廠家提供的產(chǎn)品為定型產(chǎn)品，金風(fēng)科技做的卻是首臺套。最后在海上安裝風(fēng)機時，正常的調(diào)試時間是72小時，金風(fēng)科技用時不到10小時就完成調(diào)試，性能還優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，打了一場漂亮的翻身仗。

依托海上風(fēng)電競技場，福建興化灣的產(chǎn)業(yè)園一邊實驗，一邊建設(shè)。2018年底，產(chǎn)業(yè)園建成，海上風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)落戶。如今，金風(fēng)科技、東方電氣等國產(chǎn)風(fēng)機已經(jīng)供不應(yīng)求，產(chǎn)業(yè)園中除了6.7兆瓦風(fēng)機之外，8兆瓦的機型也已量產(chǎn)，13兆瓦風(fēng)機已經(jīng)下線，15兆瓦以上的風(fēng)機正在研發(fā)。

向深遠海進發(fā)的號角已吹響

中國南海，離岸28公里，水深30米處，一臺高度超百米的風(fēng)電機組屹立在三角結(jié)構(gòu)的漂浮平臺上，遠遠望去，悠悠轉(zhuǎn)動的巨大槳葉赫然醒目，葉片轉(zhuǎn)動1小時，滿發(fā)5500度電，可夠一個三口之家用上兩年。

這是我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的漂浮式風(fēng)電機組及基礎(chǔ)平臺，具有大容量、抗臺風(fēng)、漂浮式的特點，2021年12月7日，機組正式并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國海上風(fēng)電邁出了向深遠海獲取風(fēng)能資源的探索步伐。

海上風(fēng)電向深遠海挺進，漂浮平臺建造、超遠距離輸電等工程技術(shù)是繞不開的難題與挑戰(zhàn)。

與近海機組“站立”海底不同，漂浮式風(fēng)電機組及基礎(chǔ)平臺是用錨系與海底鏈接，讓浮體與風(fēng)機像不倒翁一樣“漂”在海面上，保證風(fēng)機即使在臺風(fēng)來臨時也不沉不倒，不出問題。

長期從事風(fēng)能研究的中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員楊曉雷在接受記者采訪時表示，此前，我國在海洋工程上發(fā)展的漂浮式平臺技術(shù)主要針對油氣開采，無論是海下水深、承擔(dān)載荷、安全系數(shù)以及經(jīng)濟指標(biāo)都與海上風(fēng)電的漂浮式平臺有很大差別。而且國際規(guī)范的適用性不足，因此盡管歐洲等國家的漂浮式技術(shù)與建造經(jīng)驗相對成熟，卻并不完全適用于我國的海上漂浮式風(fēng)電建設(shè)。

“讓風(fēng)機安全穩(wěn)定地漂浮起來，核心難題在于制造出適合于我國海域特點的風(fēng)機與漂浮式基礎(chǔ)?！睏顣岳妆硎?。

目前，歐洲仍然是深遠海域海上風(fēng)電的先行者，歐洲市場已經(jīng)完成建設(shè)漂浮式單立柱式風(fēng)機20余臺，半潛式風(fēng)機10余臺，多個海上風(fēng)電強國也已在深遠海域進行布局。截至2021年底，全球已經(jīng)投運的商業(yè)化漂浮式海上風(fēng)電場共3個，均位于英國。

遙遠的海上風(fēng)場，怎樣將電送上岸？

在所有海域鋪設(shè)海纜不可行。如果大規(guī)模開發(fā)、遠距離輸送，海纜的成本將很難負擔(dān)得起，海域的建設(shè)更不允許。中國“御風(fēng)人”想到一個辦法，建設(shè)“海纜路由”——海上換流站，用柔性直流將電從遠方送來。

在江蘇如東離岸50公里的黃沙洋海域，行船遠眺，高度約15層樓的海上換流站穩(wěn)穩(wěn)地立在大海上，向過往的船舶凸顯著存在感。而在海底，一根根海纜正深埋在淤泥海床下，將海上風(fēng)電場的電能匯聚于此，再通過換流站轉(zhuǎn)換為損耗更低的直流電后，送至陸上。

江蘇如東風(fēng)電場是我國第一個海上柔性直流輸電工程。“柔性直流輸電是長距離海上風(fēng)電的最佳選擇。”國網(wǎng)江蘇省電力公司建設(shè)部副主任吳威告訴記者，電網(wǎng)要實現(xiàn)穩(wěn)定運行，控制好電壓和頻率兩項指標(biāo)至關(guān)重要，它們相當(dāng)于一個人的血壓和心率。柔性直流不僅輸送電能，還能調(diào)節(jié)電壓，它的應(yīng)用就像人有了強健的心臟和血管，能很好控制心率和血壓。

2021年11月8日，隨著7號風(fēng)電機組葉輪緩緩轉(zhuǎn)動，柔直輸電的首批機組成功并網(wǎng)，長達108公里的輸送距離創(chuàng)造了國內(nèi)紀(jì)錄，正負400千伏的電壓等級，比歐洲已采用的海上柔性直流輸電工程還要高。

吳威說，只簡單地將直流與交流相比，同樣斷面的線纜，直流可以多輸送4倍電能，成本下降的同時還可以減少工程對海域的干擾與占用。

互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)改進運維管理

因為運行效率高、輸電距離短、不占用土地、適宜大規(guī)模開發(fā)等特點，我國相關(guān)部委和沿海多省份出臺的能源規(guī)劃中，都將海上風(fēng)電作為未來的重點發(fā)展方向。

2021年10月21日，國家發(fā)展改革委等九部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，提出有序推進海上風(fēng)電基地建設(shè)，積極推動深遠海海上風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新和示范應(yīng)用，不斷推進深遠海海上風(fēng)電降本增效，以實現(xiàn)海上風(fēng)電平價示范。

今年5月26日，國內(nèi)首艘“運輸+起重”一體化深遠海海上風(fēng)電施工船——“烏東德”號在江蘇南通順利出塢；9月28日，國內(nèi)首艘2000噸級第四代海上風(fēng)電安裝平臺——“白鶴灘”號在廣州南沙順利交付。兩艘海運重器開拔出海，為我國海上風(fēng)電開發(fā)走向深海劈波斬浪。

我國海上風(fēng)電建設(shè)如火如荼地推進，海上風(fēng)電運維與管理更是不可或缺。

“由于我國海上風(fēng)電在近幾年才開始迅速建設(shè)和并網(wǎng)發(fā)電，海上風(fēng)電機組尚未經(jīng)過充分的運行驗證，運維管理也缺乏相應(yīng)經(jīng)驗，基本照搬陸上風(fēng)電管理模式?！睏顣岳渍f。據(jù)統(tǒng)計，目前我國海上風(fēng)電場整體的運維成本，遠高于同等裝機容量的陸上風(fēng)電場運維成本。

曹志剛告訴記者，導(dǎo)致海上風(fēng)電運維成本較高的原因有兩個。一是海上風(fēng)電所處特殊環(huán)境造成的設(shè)備可靠性差、故障率高、維修工藝難度也高；二是受機組可靠性未充分驗證的影響，運維團隊專業(yè)性欠缺，遠程故障診斷和預(yù)警能力還不健全。

如何提升海上風(fēng)電運維能力，降低運維成本，是產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點，也是科研領(lǐng)域發(fā)力的方向。

在楊曉雷看來，隨著信息技術(shù)加速應(yīng)用，海上風(fēng)電運維正逐步向狀態(tài)檢修為主、計劃檢修和故障檢修為輔的模式轉(zhuǎn)變。運維團隊可以通過在風(fēng)機和風(fēng)電場布設(shè)風(fēng)力傳感器，實時感知風(fēng)況，加強狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警，甚至可通過物理原理+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實現(xiàn)對風(fēng)況的高效預(yù)測，以提前調(diào)整風(fēng)機運行狀態(tài)，在提升發(fā)電量的同時降低海風(fēng)對風(fēng)機結(jié)構(gòu)的破壞。

“故障診斷和遠程預(yù)警是支撐海上風(fēng)電運維高效運轉(zhuǎn)的另一項關(guān)鍵技術(shù)。”楊曉雷表示，借助智能風(fēng)機的安裝，我國海上風(fēng)電運維企業(yè)要盡快建立海上風(fēng)電機組智慧運維體系，通過運維大數(shù)據(jù)的采集、分析和計算，不斷提升故障預(yù)警診斷能力，及時進行工單推送，優(yōu)化運維策略。

就成套設(shè)備而言，我國海上風(fēng)電現(xiàn)有的運維船舶更適合距離海岸較近的風(fēng)電場作業(yè)，且運載能力有限。隨著海上風(fēng)電場離岸距離的增加，船舶的油耗成本、承載能力以及對抗惡劣天氣的能力都將限制其在運維作業(yè)中的應(yīng)用。因此，曹志剛建議，未來急需加速制造更多更適合我國海上風(fēng)電運維的專業(yè)化船舶并投入使用。

浩瀚海洋，風(fēng)起電至。中國的大風(fēng)車在更廣闊的海域安家落戶，繼續(xù)著變海風(fēng)為能源的努力。