北極地區風電資源的開發與利用

孫晨光 崔志飛 只 群 張郁靜

（國網天津東麗公司天津300300）

北極地區風電資源的開發與利用

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隨著全球傳統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，能源危機日益嚴峻，清潔能源的應用被提升為國家戰略。北極地區風電資源極為豐富，基于特高壓交直流遠距離輸電技術，充分開發利用北極地區的風能，并與俄羅斯遠東西伯利亞地區的水能、天然氣等能源資源聯合開發利用，實現基于清潔能源的全球能源互聯網，促進全球能源優化配置。

北極風電；清潔能源；能源互聯網；特高壓

在風能、太陽能、潮汐能、生物能等新型清潔能源中，風電能是技術最成熟、基本實現商業化且最具開發潛力的可再生能源發電技術之一。預計到2050年全球風電裝機容量將達到108.7× 108kW，占全球電力總裝機容量的36.3%；隨著風電技術的提高，風電發電量將達到24.2×108kW·h，占全球發電量的近30%。據世界能源理事會（WEC）估算，環北極地區處于大陸沿海或位于北冰洋，常年風速較高，年理論發電量、年技術可開發量分別占全球風能資源的18.5%、17.2%，風能資源豐富，具備成為全球清潔能源基地的資源條件。

1 風電場宏觀選址

根據俄羅斯能源署《北極圈內和遠東地區風電資源聯合開發前景研究報告》所示，綜合考慮平均風速分布、平均風功率密度、地質條件、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、格達半島及薩哈林島北部區域為風電場宏觀選址的第一批推薦區域。根據俄方的分析結果，這三個地區內風機發電額定功率利用率均在30%以上，部分地區理論最高額定功率利用率超過55.3%，對應最高年等效利用時長達4844h。每個區域可建設功率為50GW的吉瓦級風電場，可作為俄羅斯北極和遠東地區優先開發風電場的地區。通過±1100kV特高壓直流輸電線路向南3000km經哈薩克斯坦進入中國新疆，與中國特高壓網絡鏈接，將源源不斷的北極風電清潔能源輸送到我國東部地區。

2 風電機組選型

北極風電場建議采用雙饋型風力發電機組。雙饋型風力發電機組的傳動系統主要包括：風輪、主軸軸承、主軸、增速齒輪箱、聯軸器、雙饋型發電機，結合北極潛在風電場的風能資源情況，功率等級推薦采用西門子單機容量2.3MW、5MW的機型。由于北極地區風電場冬季可能出現-65℃～-70℃的極端低溫，現有風電設備需進行相關適應性設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），潤滑系統中考慮加裝加熱裝置或開發專用的低溫潤滑油品，以及葉片除冰系統等。

3 風電場工程建設

北極地區風電施工難度較大，但不存在不可逾越的技術難題。在施工中應充分考慮北極高緯度地區環境氣候特點，盡量選擇在夏季施工，并做好施工方案及技術措施。

3.1 海基風電施工

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

3.2 陸基風電施工

陸基風電施工難度較大，主要受到溫度、風速、冰雪覆蓋、地貌復雜以及環境保護等方面因素的制約。北極地區地面多為永凍層，機械行走如果有坡度，則存在側滑可能。建議設計專業行走墊板，材質盡量輕，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滑。

據目前常規風機安裝要求，塔筒吊裝風力≥10m/s時不得進行吊裝作業，機艙吊裝風力≥10m/s時不得進行吊裝作業，此外在風機吊裝完畢進入安裝環節，風力≥18m/s時不得進入風機進行安裝作業；在北極地區施工需要新的工藝技術，適度放寬作業條件。此外，北極地區生態環境脆弱，應特別注意環境保護，將設備包裝物、垃圾、生活垃圾等集中收集，必要時運輸至指定地區進行處理。

4 風電場對當地生態環境的影響

工程施工行為會不可避免地擾動局部范圍內的生態環境，例如使地面結皮或者壓實地表，對地表植被產生一定的破壞，造成植被踏踩，致使依靠食草類為主的野生動物數量減少。風機噪聲、風機布置對鳥類遷移等生物多樣性產生一定的影響。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。施工過程中產生的含油污水、污水及廢氣、揚塵，其排放方式的不當或任意排放，將會污染當地水體。機械車輛尾氣，采暖生活用煤及施工揚塵將造成大氣環境污染。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、施工機械、施工人員的違規操作及違法行為有可能對保護區的野獸動物活動產生一定的影響。

5 風電外送目標市場

5.1 近期目標市場

考慮到俄羅斯貝加爾湖水電及風電豐富，中亞五國也有豐富的風電和太陽能資源。設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，繼續匯集部分水電和風電后接力輸電至哈薩克斯坦，再由新疆進入中國，與中國特高壓電網相聯，最終將電能輸送至東部沿海能源需求量巨大的經濟發達地區。折算至跨國輸電線路中俄分界點處的吉瓦級風電場發電成本不應超過0.41元/kW·h的電價水平。設想中遠期喀拉海風電通過±1100kV特高壓直流直接輸送至我國新疆，匯集新疆當地清潔能源電量后，通過特高壓交流網送電至東部負荷密集地區。

5.2 遠期目標市場

北極風電外送遠期目標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，發展可再生能源的需求迫切。從地理位置看，亞洲和歐洲開發利用北極地區風電資源具有地理優勢。

6 結語

北極地區風能資源豐富，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的成熟和不斷提升，北極這一世界風能寶藏價值將不斷凸顯。開發北極風電、利用北極地區推進全球可再生能源開發與利用將成為人類能源史的里程碑。北極風電為人類能源環境的可持續發展提供了解決方案。開發及外送利用，對優化全球能源格局具有重要戰略意義。

[1]許昌,鐘淋涓.風電場規劃與設計[D].水利水電出版社，2014:56-57．

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

[3]顧圣平,李曉英,王社亮．風電場技術經濟分析[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，電力系統研究方向。

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。