歐洲海上風(fēng)電發(fā)展趨勢分析及啟示

文 | 朱小毅

歐洲海上風(fēng)電發(fā)展趨勢分析及啟示

文 | 朱小毅

近年來，歐洲海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得巨大成就。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)（EWEA）統(tǒng)計(jì)，截至2016年6月底，歐洲共有11個(gè)國家的82個(gè)海上風(fēng)電場在運(yùn)，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到11.5GW，占全球海上風(fēng)電總裝機(jī)容量的91%。本文通過梳理歐洲所有海上風(fēng)電場關(guān)鍵指標(biāo)的發(fā)展?fàn)顩r，以及海上風(fēng)電相關(guān)專利的授權(quán)情況，分析判斷海上風(fēng)電發(fā)展趨勢，對(duì)我國發(fā)展海上風(fēng)電具有一定的啟示意義。

歐洲海上風(fēng)電建設(shè)情況

一、單機(jī)容量

除受部分年份投產(chǎn)機(jī)組較少或少量大容量試驗(yàn)機(jī)組的影響外，海上風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量呈逐年上升的態(tài)勢（見圖1）。2015年，歐洲投產(chǎn)的海上風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量達(dá)到3.98MW，較上年增大0.51MW，較2010年的水平增大40.1%；2016年上半年則繼續(xù)增大到4.48MW。目前，英國、德國和丹麥均有100MW以上的大型海上風(fēng)電場，全部使用6MW機(jī)組；而7MW的大容量機(jī)組已建成投入試驗(yàn)。

二、風(fēng)電場面積

2012年之后，隨著大量100MW級(jí)以上大型海上風(fēng)電場的建成，風(fēng)電場面積大幅上升。2015年，歐洲海上風(fēng)電場平均面積為36.3km2，2016年上半年則繼續(xù)增大到49.3km2（見圖2）。目前面積最大的海上風(fēng)電場是2012年建成的英國Greater Gabbard項(xiàng)目，面積達(dá)到146km2。盡管近年新增裝機(jī)容量保持增長，但風(fēng)電場面積并未呈現(xiàn)同比例增長態(tài)勢，亦印證了大容量機(jī)組技術(shù)日臻成熟并逐步投入商用。

三、離岸距離和水深情況

風(fēng)電場離岸距離是另一個(gè)近年大幅增長的指標(biāo)。2007年之前，絕大多數(shù)海上風(fēng)電場都分布在離岸10km以內(nèi)的海域，而隨著海上安裝和運(yùn)維技術(shù)的提高，海上風(fēng)電場呈現(xiàn)離岸越來越遠(yuǎn)的趨勢（見圖3）。2015年，歐洲新建的項(xiàng)目平均離岸距離為38.4km，同比增加28%；2016年上半年則增加到41.8km。目前最遠(yuǎn)的德國Global Tech 1期風(fēng)電場離岸距離達(dá)到115km。

離岸距離的變遠(yuǎn)通常也會(huì)導(dǎo)致水深的增加（見圖4）。2015年新增裝機(jī)的平均水深為22.9m，是2009年平均水深的兩倍。目前已建成最深的兩個(gè)風(fēng)電場都是試驗(yàn)示范工程，分別是位于葡萄牙的WindFloat（50m）和英國的Beatrice（45m），兩者分別采用半潛式平臺(tái)和導(dǎo)管架式基礎(chǔ)。

四、單位千瓦造價(jià)

近年來，歐洲海上風(fēng)電單位千瓦造價(jià)并未隨著技術(shù)的提高而明顯降低（見圖5）。2015年，單位千瓦平均造價(jià)為3990歐元，較2010年增加40.5%。這主要是由于隨著離岸距離和水深的增加，建設(shè)和運(yùn)維成本大幅增加。目前，單位千瓦造價(jià)最高的是2013年建成的德國Bard Offshore 1期風(fēng)電場，其裝機(jī)容量為400MW，位于離岸101km、水深40m的海域，吊裝了80臺(tái)5MW的機(jī)組，造價(jià)高達(dá)7250歐元/千瓦。同時(shí)，它的工程總投資達(dá)到29億歐元，也是已建成海上風(fēng)電場中總投資額最高的。

五、基礎(chǔ)類型

單樁式基礎(chǔ)始終是市場主流，截至2016年上半年，單樁式基礎(chǔ)占市場份額的79.4%，而早期常見的重力式已逐漸淡出。近年三腳架式和導(dǎo)管式基礎(chǔ)技術(shù)逐步成熟并投入使用，其他類型的基礎(chǔ)還未被大范圍商用（見圖6）。

海上風(fēng)電專利授權(quán)情況

一、技術(shù)功效矩陣

本文將海上風(fēng)電的關(guān)鍵技術(shù)分解成為機(jī)組、基礎(chǔ)、功率調(diào)節(jié)和傳輸、海上施工、評(píng)估、多技術(shù)集成和其他等7個(gè)維度的35個(gè)項(xiàng)目（T1－T35），并選取了20個(gè)常見的功效（F1－F20），如表1所示，基本覆蓋海上風(fēng)電研究的技術(shù)范圍和發(fā)展趨勢。

本文將1976年以來，美國專利商標(biāo)局和歐洲專利局收錄的所有與海上風(fēng)電相關(guān)的381個(gè)專利，按照技術(shù)功效矩陣進(jìn)行篩選和分類，將其繪制在技術(shù)功效矩陣圖上（如圖7所示）。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，海上風(fēng)電專利授權(quán)數(shù)量最多的技術(shù)分別是機(jī)組運(yùn)輸和安裝、漂浮式基礎(chǔ)、塔筒、多技術(shù)集成和系泊系統(tǒng)。而最常見的研究目標(biāo)是降低成本、改進(jìn)安裝方式、革新設(shè)備運(yùn)輸方式、減輕重量和提高可靠性（如表2所示）。

表2　海上風(fēng)電專利技術(shù)和功效占比排序

二、機(jī)組運(yùn)輸和安裝

在機(jī)組運(yùn)輸和安裝（T29）方面，大約2/3的專利都與施工船的設(shè)計(jì)有關(guān)，體現(xiàn)了施工船的研發(fā)對(duì)海上風(fēng)電發(fā)展的重要性。其研究的主要目標(biāo)是降低成本（F1）、改進(jìn)安裝方式（F18）、革新設(shè)備運(yùn)輸方式（F17）、大浪保護(hù)（F6）和提高可維護(hù)性（F16）。主要研究方向包括機(jī)組的整體運(yùn)輸和吊裝；使用專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打樁；風(fēng)電場的運(yùn)維服務(wù)及個(gè)人安全保障等方面。

三、機(jī)組基礎(chǔ)

隨著海上風(fēng)電項(xiàng)目水深向越來越深的方向發(fā)展，漂浮式基礎(chǔ)（T23）具有較好的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，它的主要研究目標(biāo)是革新設(shè)備運(yùn)輸方式（F17）、改進(jìn)安裝方式（F18）、降低成本（F1）、減輕重量（F2）和提高發(fā)電量（F13）。該基礎(chǔ)通行的設(shè)計(jì)理念是將機(jī)組在岸上組裝后出海吊裝，并簡化機(jī)組設(shè)計(jì)，從而減少對(duì)專用安裝船的依賴。對(duì)于西北太平洋國家，還加強(qiáng)了對(duì)抗臺(tái)風(fēng)和海嘯的設(shè)計(jì)考慮。

四、塔筒

與塔筒（T12）有關(guān)的主要研究目標(biāo)依次是降低成本（F1）、改進(jìn)安裝方式（F18）、減輕重量（F2）、提高可靠性（F12）和提高可維護(hù)性（F16）。這方面的研究包括將塔筒和基礎(chǔ)直接相連以減少連接件的成本；增強(qiáng)塔筒對(duì)抗強(qiáng)風(fēng)的能力；加強(qiáng)下風(fēng)向機(jī)組的設(shè)計(jì)以減輕偏航系統(tǒng)的重量。除此以外，材料的變革也是相關(guān)研究的重點(diǎn)，從而減輕塔筒重量并增強(qiáng)耐鹽性。

五、多技術(shù)集成

本文將未詳細(xì)指明具體機(jī)組部件或綜合多種技術(shù)的專利歸結(jié)到多技術(shù)集成（T34）。主要的研究方向是提高儲(chǔ)能能力（F14）、提高發(fā)電量（F13）和降低成本（F1）。例如，將太陽能、波浪能和海洋熱能等與機(jī)組基礎(chǔ)集成，從而提高能量使用效率。另一個(gè)常見的思路是利用機(jī)組轉(zhuǎn)化的能量電解海水或壓縮空氣以達(dá)到儲(chǔ)能的目的。此外，還有一些專利分析了海上風(fēng)電與海水養(yǎng)殖的可利用性。

六、系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)（T32）的發(fā)展是開發(fā)深海能源的基礎(chǔ)，主要分為懸鏈?zhǔn)胶蛷埦o式兩種系統(tǒng)。根據(jù)懸鏈的數(shù)量和位置關(guān)系，又可細(xì)分為多種系泊方式以應(yīng)對(duì)不同的海況和海床條件。它主要研究目標(biāo)分別是降低成本（F1）、改進(jìn)安裝方式（F18）和減輕重量（F2）。

海上風(fēng)電趨勢分析

機(jī)組技術(shù)持續(xù)改進(jìn)。目前，歐洲4MW－6MW機(jī)組已相對(duì)成熟并逐步普及，而6MW－8MW大功率機(jī)組已在試驗(yàn)階段，并會(huì)在近年陸續(xù)推出投入商用。海上風(fēng)電的機(jī)組技術(shù)大多數(shù)是由陸上風(fēng)電改良而來。由于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)的限制，一部分同時(shí)適用于陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電的專利未被列入分析范圍。但需注意的是，機(jī)組技術(shù)的改進(jìn)永遠(yuǎn)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步的根本。諸如變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)、雙饋異步發(fā)電技術(shù)、直驅(qū)式全功率變流技術(shù)、輕質(zhì)量機(jī)艙設(shè)備及塔筒等機(jī)組核心技術(shù)將得到迅速發(fā)展。

表1　技術(shù)功效矩陣圖編號(hào)定義

離岸距離和水深逐步擴(kuò)展。隨著近海可開發(fā)的資源逐漸減少，風(fēng)電場對(duì)航道、漁業(yè)的影響加深，以及海洋運(yùn)輸、安裝、維護(hù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)勢必向深海挖掘能量。歐洲已有離岸距離超過100km、水深超過40m海上風(fēng)電機(jī)組的成功實(shí)踐，未來離岸距離和水深方面必將有更大突破。

單位千瓦造價(jià)穩(wěn)中有降。盡管近年海上風(fēng)電單位千瓦造價(jià)較早年有所增加，但隨著機(jī)組技術(shù)的進(jìn)步、安裝和運(yùn)維水平的提高、以及周邊相關(guān)技術(shù)的集成，海上風(fēng)電造價(jià)水平將會(huì)有所下降，并逐步與其他能源利用形式形成競爭。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適用性增強(qiáng)。早期的海上風(fēng)電基礎(chǔ)以單樁式和重力式為主，而近幾年海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開始更加多樣化，以適應(yīng)不同海床條件、水深情況以及機(jī)組和環(huán)境因素。隨著離岸距離和水深的拓展、以及系泊系統(tǒng)的研究，漂浮式基礎(chǔ)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營水平逐漸成熟。隨著風(fēng)能資源測試和評(píng)估軟件的開發(fā)、專用施工船的應(yīng)用、輕質(zhì)化風(fēng)電機(jī)組的研究等，海上風(fēng)電場在微觀選址、整機(jī)吊裝、遠(yuǎn)程監(jiān)測等建設(shè)和運(yùn)營方面的能力將日益提高。

對(duì)我國海上風(fēng)電發(fā)展的啟示和建議

健全海上風(fēng)電市場激勵(lì)政策。海上風(fēng)電在歐洲的成功實(shí)踐，與相關(guān)國家完善的市場機(jī)制和政策支持密不可分。我國盡管于2014年6月發(fā)布了《關(guān)于海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》，但截至2016年7月底，尚未明確2017年（含）之后的上網(wǎng)電價(jià)，使得風(fēng)電開發(fā)企業(yè)承擔(dān)了較高的收益風(fēng)險(xiǎn)。此外，還應(yīng)綜合利用補(bǔ)貼、稅收、融資等多種激勵(lì)和扶持政策，支持海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

完善管理部門之間的協(xié)調(diào)機(jī)制。海上風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)流程復(fù)雜，涉及能源、海洋、航運(yùn)、漁業(yè)、環(huán)保、港口、軍事、文化等多個(gè)歸口管理機(jī)構(gòu)。各地方、各部門發(fā)展思路存在差異，協(xié)調(diào)難度大、工作周期長，一定程度上制約了海上風(fēng)電的發(fā)展。應(yīng)進(jìn)一步統(tǒng)一思想，理順審批流程，建立部門間的協(xié)調(diào)機(jī)制，提高工作效率，降低海上風(fēng)電開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

加強(qiáng)深海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究。從歐洲海上風(fēng)電的趨勢看，發(fā)展深海風(fēng)電是可行且必要的。我國海上風(fēng)電起步較晚，當(dāng)前仍以潮間帶和近海開發(fā)為主。應(yīng)提早謀劃，適時(shí)啟動(dòng)深海風(fēng)能資源探測和海床地質(zhì)條件勘察工作，開發(fā)適應(yīng)深海氣候的風(fēng)電機(jī)組，加大漂浮式基礎(chǔ)的研究。

注重科研投入和人才培養(yǎng)。與歐洲傳統(tǒng)強(qiáng)國相比，我國缺乏海上風(fēng)電核心技術(shù)和高層次的專業(yè)人才，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維人員大多從陸上風(fēng)電承接而來，欠缺專業(yè)性和海上實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。我國應(yīng)鼓勵(lì)適當(dāng)引入外國投資者，積極參與海外項(xiàng)目并購，帶動(dòng)我國海上風(fēng)電人才培養(yǎng)。同時(shí)，鼓勵(lì)海上風(fēng)電開發(fā)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)加大產(chǎn)學(xué)研合作，緊密跟蹤國際海上風(fēng)電研發(fā)動(dòng)向，創(chuàng)新開發(fā)適應(yīng)我國海域環(huán)境的風(fēng)電設(shè)備和施工方式。(作者單位：中國長江三峽集團(tuán)公司發(fā)展研究院）