海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及研究

張海鋒

（中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司天津300452）

海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及研究

張海鋒

（中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司天津300452）

風(fēng)力發(fā)電作為一種新興的能源產(chǎn)生方式，由于其資源豐富不受土地條件限制等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在多個(gè)國(guó)家風(fēng)靡起來(lái)。我國(guó)有很長(zhǎng)的海岸線，為了更好的利用這些資源，我國(guó)也需要加大對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電的研究力度。本文首先對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行概述，在與發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行對(duì)比，最后介紹了海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的前景，旨在于為解決我國(guó)的能源問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。

海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；技術(shù)要點(diǎn)；前景分析

1 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述

海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為一種清潔能源利用方式，受到各國(guó)的青睞。在陸地上建設(shè)的風(fēng)力發(fā)電站已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是陸地風(fēng)力發(fā)電有一定得缺陷。例如，陸地風(fēng)力發(fā)電需要占用很大的地域面積，而且還會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的噪音污染。但是海洋資源豐富，且不會(huì)占用土地面積，海上風(fēng)力發(fā)電就受到了各國(guó)的關(guān)注。目前一些歐洲國(guó)家已經(jīng)建設(shè)成了自己的海上風(fēng)力發(fā)電站，將這一想法變成了事實(shí)。我國(guó)有豐富的海洋資源，鄰近海域的風(fēng)力資源也很豐富，將這些能源充分利用起來(lái)，對(duì)我國(guó)的能源與環(huán)境問(wèn)題將會(huì)是一大幫助。因此，發(fā)展海洋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有重大的戰(zhàn)略意義。

1.1 海上風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)分析

海洋風(fēng)力與陸地風(fēng)力相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。首先，當(dāng)風(fēng)流經(jīng)過(guò)陸地時(shí)，由于陸地地面粗糙且存在不少的障礙物，使風(fēng)的大小以及風(fēng)的方向都會(huì)改變。但是在海面上因?yàn)楹Ｃ嫦鄬?duì)比較光滑，摩擦力小，使得海洋的風(fēng)力的湍急度較小，風(fēng)向也比較穩(wěn)定；其次，正是由于海洋風(fēng)力比陸地穩(wěn)定且風(fēng)力大，在搭建機(jī)組時(shí)就不需要太高的塔架，這樣降低了風(fēng)電機(jī)組的成本。有數(shù)據(jù)顯示，離海岸線十千米的海上風(fēng)速通常比沿岸陸上大約高百分之二十，產(chǎn)生的電量可增加百分之七十。因此，海上風(fēng)力發(fā)電不僅成本低，產(chǎn)量也十分可觀；最后，海洋面氣流平穩(wěn)，陸地面地勢(shì)復(fù)雜，海洋上的發(fā)電機(jī)組不需要承受太大的工作強(qiáng)度，在陸地上使用壽命為二十年的發(fā)電機(jī)組在海洋上使用壽命可以延長(zhǎng)至二十五至三十年。除此以外，在海洋上進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電還免收噪音、電磁、鳥(niǎo)類等因素的影響。基于這些優(yōu)勢(shì)，近些年來(lái)，海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)悄然興起。

1.2 海洋風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀分析

海洋發(fā)電技術(shù)作為一種新興的綠色能源產(chǎn)生方式，世界各國(guó)正在紛紛發(fā)展海洋發(fā)電技術(shù)。歐洲在海洋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面在世界上處于領(lǐng)先地位。目前的資料表明，歐洲建成的海上風(fēng)電場(chǎng)的容量為2.75～165.6MW,規(guī)劃中的風(fēng)電場(chǎng)容量為4,5MW～1 GW，北美以及亞洲各個(gè)國(guó)家的不斷加入使得海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步得到了提高。

1.2.1 歐洲海洋發(fā)電技術(shù)分析

歐洲一直處于海洋發(fā)電技術(shù)的領(lǐng)先地位。2006年的數(shù)據(jù)顯示，在全球風(fēng)電裝機(jī)容量前十名的國(guó)家中，歐洲占了七個(gè)，市場(chǎng)份額達(dá)到了百分之五十八。截至目前，所有的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)都在歐洲。丹麥在2002年建成了世界是首個(gè)真正的大型海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。電場(chǎng)離岸14～20km,水深6.5～13.5m,當(dāng)?shù)仫L(fēng)速為9.7m/s,占地20km2,安裝了80臺(tái)單機(jī)容量2MW的Vestas型風(fēng)機(jī)，提供的電能可以供十五萬(wàn)丹麥家庭使用。

德國(guó)的海洋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展。德國(guó)海上風(fēng)機(jī)容量已突破500MW，在近海地區(qū)以及12英里以外的深水地區(qū)都建造了海洋風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。預(yù)計(jì)到2030年，海上風(fēng)機(jī)的安裝量將會(huì)達(dá)到25000MW，產(chǎn)生70～85TWh的電能。歐洲的額其他國(guó)家也不甘落后，紛紛開(kāi)始建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電站，瑞典有11座海上風(fēng)電場(chǎng)正在規(guī)劃建設(shè)中。

1.2.2 我國(guó)的海洋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)分析

我國(guó)的海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)才剛剛起步，距離歐洲國(guó)家還有一定的差距，我國(guó)目前還沒(méi)有海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。我國(guó)的海洋面積遼闊，海洋資源十分豐富，東部水深在2米至15米的海域，可用于海洋風(fēng)力發(fā)電的面積是陸地面積的三倍。隨著海洋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，在加上經(jīng)濟(jì)力量的保障，未來(lái)海洋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將成為我國(guó)重要的產(chǎn)能方式，風(fēng)能將成為最重要的可持續(xù)能源。我國(guó)目前正在大力發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，目前正處于建設(shè)中的海上風(fēng)力發(fā)電站已經(jīng)有六座，分別在廣東南澳、上海、浙江岱山、江蘇如東、江蘇東臺(tái)、河北黃驛。

2 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

2.1 海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)選址問(wèn)題

對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的選址不僅重要而且十分復(fù)雜，選擇的地質(zhì)不符合要求不僅會(huì)延誤工期還會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目的失敗。在進(jìn)行選址時(shí)需要認(rèn)真考慮以下基本問(wèn)題。第一，要考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)的類型，頻率和周期，海底的深度和最高波浪級(jí)別以及海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)；第二，要避開(kāi)相關(guān)航線，選擇接近陸地的地方，這樣方便基礎(chǔ)工程的建設(shè)；第三，要接近主要電網(wǎng)的中心，便于將產(chǎn)生的電能技術(shù)輸運(yùn)，還要考慮雷電等惡劣天氣的應(yīng)對(duì)措施等。除此以外，還需要考慮一些人文因素，例如建設(shè)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。

2.2 海上風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)機(jī)主要有四種類型，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)。單樁風(fēng)機(jī)在安裝時(shí)需要較高的費(fèi)用，因?yàn)閱螛讹L(fēng)機(jī)受到海底地質(zhì)條件和海水深度的影響，安裝設(shè)備較為專一。它一般安裝在海底10米至20米的地方。重力式混凝土沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體積較大，造價(jià)相對(duì)比較低廉，穩(wěn)定性和可靠性較高，在安裝時(shí)需要進(jìn)行海地測(cè)量準(zhǔn)備。多樁基礎(chǔ)，通常是為三腳樁適合在深海進(jìn)行建造，它的樁徑較小，鋼管樁部通過(guò)灌漿技術(shù)與上部保持相連，但是這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)還沒(méi)有成功安裝過(guò)。最后一種是吸力式沉箱基礎(chǔ)，它適合安裝在砂性土及軟粘土的地區(qū)，可以細(xì)分為單柱及多柱吸力式沉箱基礎(chǔ)，單柱的安裝費(fèi)用要比多柱的相對(duì)較高。

2.3 海上風(fēng)電機(jī)組的控制特點(diǎn)

海上風(fēng)電機(jī)組在控制原理是可靠、高效、安全。但是由于在海上，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作與維護(hù)時(shí)有諸多不便，這就需要控制系統(tǒng)更加安全可靠，靠遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控并維護(hù)。在控制系統(tǒng)中采用了冗余技術(shù)，例如傳感器、通信線路等都進(jìn)行了備用方案就是為了使其更加可靠。采用智能化控制技術(shù)通過(guò)在線診斷技術(shù)、控制器等預(yù)先進(jìn)行了解避免故障的發(fā)生。此外，還要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防雷防腐的各項(xiàng)保護(hù)技術(shù)。

3 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)前景分析

3.1 新型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)逐步發(fā)展

再建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)時(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)要重點(diǎn)關(guān)注。隨著技術(shù)的的發(fā)展，單機(jī)容量在不斷的加大，新型大功率發(fā)電機(jī)正逐步取代小型發(fā)電機(jī)。技術(shù)的逐步提高將會(huì)驅(qū)使新型海上風(fēng)力機(jī)得到不斷的研發(fā)和運(yùn)行。新型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)將會(huì)不斷優(yōu)化發(fā)電性能，通過(guò)減少槳葉的安裝數(shù)量來(lái)降低安裝成本。其他海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)設(shè)備例如防腐設(shè)備也會(huì)得到相應(yīng)的發(fā)展。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要依靠這些設(shè)備來(lái)適應(yīng)海上潮濕易腐蝕的需要，因此，這將會(huì)帶動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

3.2 由淺海向深海發(fā)展

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)安裝成本很高，但是可持續(xù)能源的利用是一個(gè)十分有意義的方向，也是一個(gè)十分有潛力的市場(chǎng)。加護(hù)嗓我國(guó)的能源短缺以及環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題，未來(lái)海上風(fēng)力發(fā)電將會(huì)成為我國(guó)能源的重要來(lái)源。目前，淺水域風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的發(fā)展已經(jīng)無(wú)法滿足風(fēng)能發(fā)展的要求，需求的不斷提高促使風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正向深海域不斷發(fā)展，深海域風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將會(huì)使全球能源利用率大大提高來(lái)滿足日益增加的能源需求。

結(jié)語(yǔ)

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)的不斷成熟，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)。我國(guó)擁有很長(zhǎng)的海岸線和豐富的海洋資源，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，將這些可持續(xù)再生的風(fēng)能加以利用，對(duì)解決我國(guó)的能源短缺問(wèn)題具有重大意義。我國(guó)也應(yīng)不斷加大對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究力度，將這一技術(shù)逐步擴(kuò)大至深海領(lǐng)域，滿足人們的能源需求。

[1]王放文,劉學(xué)忠,丁曉霞等.海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的耐海洋氣候性試驗(yàn)研究[J].絕緣材料,2014,（1）:77-80.

[2]姜楠.深海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析[J].新能源進(jìn)展,2015,（1）:21-24.

[3]陳川,王俊,黃海軍等.我國(guó)東南沿海與歐洲沿海風(fēng)電機(jī)組服役環(huán)境條件的差異性分析[J].裝備環(huán)境工程, 2013,（5）:22-26.