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            新能源之海上風力發電技術
            2023-08-30 來源:小海職通
             海上風電是我國新時期能源轉型的重要支撐,也是我國沿海省份發展海洋經濟的重要力量。我國海上風電雖然起步較晚,但得益于政策的大力支持、技術的不斷創新、產業鏈的不斷完善等,已經迅速成長為全球最大的海上風電市場。
             
             
            海上風力發電發展
             
            1概念
             
            海上風力發電是一種利用海上風能來發電的技術。它具有許多優勢,例如海上風況優于陸地,風速大小和方向的變化率都較低,湍流強度小,疲勞負荷低。此外,海上風速往往比陸上更快。風速的小幅增加會產生大量的能源:風速為15英里/小時的發電機產生的電量是風速為12英里/小時的發電機的兩倍。
             
            然而,海上風力發電也面臨著一些挑戰。例如,海上風機所處環境惡劣,風機易腐蝕。同時我國海上風資源條件復雜,在長江以南海域,大部分地區平均風速較低,又有臺風威脅。
             
            海上風力發電技術包括風機支撐技術和并網技術。海上風機的支撐技術主要有底部固定式支撐和懸浮式支撐兩類。底部固定式支撐有重力沉箱基礎、單樁基礎、三腳架基礎3種方式。近年來,隨著全球海上風電逐步向深海、遠海進發,浮式海上風電技術作為新一代海上風電技術,獲得了業內的廣泛關注。
             
             
            圖2 X1 Wind示意圖
             
            2國內發展現狀
             
            海上風電是我國新時期能源轉型的重要支撐,也是我國沿海省份發展海洋經濟的重要力量。我國海上風電雖然起步較晚,但得益于政策的大力支持、技術的不斷創新、產業鏈的不斷完善等,已經迅速成長為全球最大的海上風電市場。
             
            海上風電產業發展歷程
             
            概括來說,我國海上風電從僅有1臺風電機組的項目起步,歷經示范項目階段,以試驗示范項目建設帶動海上風電技術進步和設備制造產業升級,在規劃和政策的指引下,適時穩妥擴大海上風電建設規模,在打好海上風電大規模開發建設的基礎上,實現了我國海上風電的高質量發展。
             
            1前期探索
             
            我國海上風電探索起源于2007年。是年11月8日,我國首座安裝有1臺金風科技1.5 MW風電機組的海上風電項目在渤海綏中油田建成發電。該項目由中國海洋石油總公司興建,從立項到建成投產僅耗時7個月,實現了多項自主創新和技術創新。它標志著我國海上風電探索取得實質性突破,也拉開了我國海上風電開發的序幕。
             
            2試驗示范
             
            龍源如東海上(潮間帶)試驗風電場和上海東海大橋100 MW海上風電示范項目的相繼批復,標志著我國進入了示范項目建設階段。龍源如東海上(潮間帶)試驗風電場拉開了我國開發建設海上(潮間帶)風電場的序幕,上海東海大橋100 MW海上風電示范項目則是我國建成的第一個大型海上風電場。
             
            2007年6月15日,國家發展和改革委員會(以下簡稱國家發改委)辦公廳下發“在江蘇如東地區建設30萬千瓦的海上示范風電項目”的通知,并要求加快海上示范風電場建設的前期工作。借此契機,2008年5月,龍源電力在江蘇組建海上風電項目籌建處,針對該項目開展了大量的研討論證工作。一年之后,龍源如東海上(潮間帶)試驗風電場首批兩臺1.5 MW風電機組并網發電。2010年9月28日,在如東環港外灘海堤外側潮間帶區域,32 MW潮間帶試驗風電場建成投產,實現了全球潮間帶風電“零”的突破。該項目包括2臺明陽智能1.5 MW機組、2臺遠景能源1.5 MW、2臺聯合動力1.5 MW機組、2臺上海電氣2.0 MW機組、2臺三一電氣2.0 MW機組、2臺中國海裝2.0 MW機組、1臺金風科技2.5 MW機組、2臺華銳風電3.0 MW機組、1臺明陽智能緊湊型2.5 MW機組,是具有標志性的產業鏈節點試驗,促進了我國潮間帶風電施工裝備、作業方式、基礎形式、機組運維等環節的建立、優化和改進,大幅降低風電場成本,為國產海上風電機組提供了一個驗證技術以及運行質量的重要平臺,為我國海上風電由潮間帶向深海擴展,奠定了堅實的技術基礎。
             
            2008年5月,國家發改委會下發《關于上海東海大橋100兆瓦海上風電示范項目核準批復》。2010年7月10日,東海大橋風電場一期全部34臺3 MW風電機組并網發電。該項目位于東海大橋東側1~4 km、浦東新區岸線以南8~13 km的上海市海域,平均水深10 m,總投資22.8億元??傃b機容量102 MW的上海東海大橋風電場,是我國首個大規模海上風電場,我國海上風電發展由此開始真正起步。同時,它還是歐洲以外的第一個海上風電項目,是世界其他洲域探索海上風電發展的一塊里程碑。該項目為我國開展海上風電建設技術的研究工作,逐步建立海上風電的技術標準體系,形成擁有自主知識產權的海上風能資源評價、風電場設計和機組制造技術積累了寶貴的經驗,為我國海上風電的規?;l展創造了條件。
             
            鑒于如東試驗風電場取得的成果,2010年12月6日,國家發改委核準了龍源如東150 MW海上(潮間帶)示范風電場項目。該項目分兩期實施,一期工程為100 MW,選用21臺西門子2.38 MW機組和17臺華銳風電3 MW機組,于2011年6月21日開工建設,同年年底投產發電;二期工程為50 MW,選用20臺金風科技2.5 MW機組,于2012年11月23日投產發電。這一工程的風能資源和建設條件在江蘇乃至全國的潮間帶風電場中均有較強的代表性,為我國近海風電場建設積累了寶貴經驗,起到良好的示范作用。
             
            3規?;焖侔l展
             
            “十三五”時期,得益于前期的技術儲備,產業鏈更加完善,投融資環境更加透明,我國海上風電迎來了快速發展的階段,近海海上風電進入規?;l展階段。
             
            就開發規模來看,截至2020年6月底,共計約1 100萬千瓦的海上風電項目處于在建狀態,主要分布于廣東、江蘇、遼寧和福建等地區。2020年,海上風電新增并網裝機306萬千瓦。到2020年年底,海上風電累計并網裝機容量約為900萬千瓦。
             
            在技術創新層面,適用于海上的大容量機型呈現快速迭代的趨勢,不僅5 MW實現批量應用,10 MW時代也已開啟。在此期間,規劃建設的福建福清興化灣樣機試驗風電場如實記錄了海上風電技術的演變。該風電場是國內領先的海上風電機組科研創新試驗平臺,以及國內首個大功率海上風電試驗風電場。它是三峽集團福建福清興化灣300 MW海上風電場一期工程,總裝機容量為79.4 MW,平均單機容量為5.7 MW,共安裝有來自8家風電廠商(金風科技、中國海裝、太原重工、明陽智能、東方電氣、GE、上海電氣、湘電風能)的14臺機組。該風電場是我國首個批量使用5 MW以上機組的示范海上風電場,將為今后我國風電大容量機組的發展路徑提供有益實踐和探索。
             
            相比于試驗風電場,興化灣二期工程的機組容量繼續大幅提升。2020年4月28日,國內首臺具有完全自主知識產權的8 MW風電機組(輪轂中心高度為110 m,風輪直徑為175 m,風輪掃風面積相當于3.4個標準化足球場,在11.5 m/s左右的風速條件下,單臺機組24小時發電約20萬千瓦時,可滿足3.5萬個家庭一天的用電需求)在該風電場完成吊裝[8];2020年7月12日,國內首臺10 MW海上風電機組在福清興化灣二期海上風電場成功并網發電。
             
            2021年上半年,全國海上風電新增并網容量2.15GW,同比增長102.5%[10],呈現出強勁的發展態勢。“十四五”時期是實現“30·60”目標的關鍵期,我國海上風電開發速度將大幅提升,成為新能源裝機增長的新引擎。
             
            結語
             
            我國基本具備了大規模開發海上風能資源的能力,未來幾年是技術創新和變革的關鍵期,我國海上風電技術將圍繞以下幾條主線演進:
             
            一是大型化。應用更大的風電機組,能夠有效提高風能利用效率,并大幅降低初始投資、安裝施工成本、運維成本等,由此帶動度電成本持續下降。風電度電成本的下降最主要的貢獻來自發電能力和效率的提升,而不僅是造價的下降。最新的葉片風輪直徑已經突破200 m,可以預見未來3~5年內,我國海上風電度電成本將可以再降一半,這還沒有包括機組可靠性和基于大數據人工智能的全生命周期管理等技術應用帶來的疊加提升效應。
             
            二是智能化。近年來,新一代信息化技術被廣泛應用于海上風電產業鏈的各個環節中,智能化、互聯化成為海上風電產業的重要特征。在選址環節,基于高精度風電場功率預測微觀選址技術、大數據中的尺度建模技術和衛星遙感的物理建模技術,智慧選址模式正在逐步取代費時、低效的傳統方式。在運行中,借助現有技術,通過感知并預測所處環境變化,系統能夠自動采取不同控制策略,做到降載增壽,提高發電效率。在運維環節,通過在風電場安裝狀態監測和故障診斷系統,并結合資產完整性管理理念,故障維修已經從事后轉向事前,逐步走向預防性維護,并在運維方案定制和成本優化方面開始發揮作用。未來,更廣泛的監測傳感、物聯技術應用以及建模仿真能力提升,將逐步促成數字孿生技術的實現,讓風電資產的運營和改造從中受益,這有賴于監測技術和經濟性評價方法的進步。此外,通過數字化信息整合行業資源、改變產業鏈互動和資源調配方式,將進一步提高效率、降低成本,這需要行業重新審視,并改變現有的合作模式。
             
            三是專業化。我國海上風電產業規?;l展的提速,以及項目開發逐步走向深遠海,對運輸、安裝施工、運維等裝備提出了更高的要求。進一步提升安裝船、鋪纜船、運維船的專業化水平,成為擺在業界面前的重要課題之一,這需要各方攜手推進相關技術的研發、先進裝備的設計與制造。
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