基于海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風電機維修市場

涂亮 劉斯明 鄭丹

摘要：為促進海上風電產(chǎn)業(yè)和風電機維修市場的發(fā)展，文章概述風電及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況以及海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要地區(qū)，分析海上風電機維修市場的需求、特點和潛力，并提出該領(lǐng)域的投資建議。研究結(jié)果表明：風電具有巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，是全球發(fā)展的重點領(lǐng)域;歐洲、亞洲和美國等是海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要地區(qū)，其中歐洲發(fā)展最早和最好;由于海上風電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜和所處環(huán)境惡劣，維修市場需求旺盛;目前全球海上風電機維修市場具有地區(qū)不均衡、核心技術(shù)壟斷和處于藍海期的特點，在部件和工具及其供應(yīng)鏈供給、運維船制造、智能化產(chǎn)品服務(wù)以及人員技能培訓(xùn)等方面具有發(fā)展?jié)摿?海上風電機維修市場的自身潛力和輻射效應(yīng)較大，市場前景廣闊，該領(lǐng)域的投資應(yīng)關(guān)注其優(yōu)勢、劣勢、機遇和風險。

關(guān)鍵詞：風能;發(fā)電機;專業(yè)維修;運維船;智能化

Abstract：To promote the development of offshore wind power industry and wind power maintenance market，the paper outlined the development of wind power industry and its developing status as well as the main areas of offshore wind power industry development，analyzed the demand，characteristics and potential of offshore wind power maintenance market，and finally proposed some investment advice in this field.The research results showed that wind power has great economic，social and environmental benefits and was the pivotal field of global development.Europe，Asia and the United States are the main regions for the development of offshore wind power industry，among which Europe develops first and best.Due to the complicated structure and harsh environment of offshore wind power，its maintenance market demand is strong.At present，the offshore wind power maintenance market was characterized by regional imbalance，core technology monopoly，and blue ocean period.It has great development potential in the supply of parts and tools as well as supply chain，the operation and maintenance ship manufacturing，the intelligent product and service and personnel skill training.The offshore wind power maintenance market has its own potential and radiation effects，and thus the market prospect is broad and promising.Investors should pay much attention to its advantages，disadvantages，opportunities and risks while investing in this field.

Key words：Wind power，Electric generator，Professional maintenance，Operation and maintenance ship，Intelligentize

1 風電及其產(chǎn)業(yè)

1.1 發(fā)展狀況

人類利用風能的歷史可追溯至3 000年前，而在近百余年來才開始利用風能發(fā)電。①萌芽期：1866年德國科學家西門子成功研制自激勵式發(fā)電機，為風電的萌芽奠定基礎(chǔ);1887—1888年美國科學家布拉什成功研制風電機組;1918年丹麥擁有120臺風電機組。②緩慢發(fā)展期：19世紀70年代工業(yè)電力來源主要是使用化石燃料的發(fā)電機組和內(nèi)燃機，風電因成本高昂、效率低下和穩(wěn)定性差而發(fā)展緩慢。③高速發(fā)展期：20世紀70年代，在經(jīng)歷2次石油危機后，風能作為可替代化石能源的可再生清潔能源再次受到高度關(guān)注，美國和西歐國家投入大量資金用于兆瓦級并網(wǎng)型風電機組的研制。

風能受地形影響較大，在沿海地區(qū)和開闊大陸的收縮地區(qū)儲量較豐富。總體來看，全球風電總裝機容量逐年提高。全球風能理事會（GWEC）2017年預(yù)測，到2022年底，全球風電總裝機容量有望達到840 GW。2017年全球風電總裝機容量約為539 GW，新增裝機容量約為52.5 GW，其中新增裝機最多的國家是中國、美國、德國、印度和英國。截至2017年年底，全球建設(shè)風電項目的國家多達90個，其中風電滲透率最高的是丹麥（44%），緊隨其后的是葡萄牙、愛爾蘭和德國（超過20%），西班牙、瑞典和塞浦路斯也較高（12%）。根據(jù)世界風能協(xié)會（WWEA）的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年全球風電新增裝機容量約為53.9 GW，與2017年相比僅有小幅度提高;其中，中國繼續(xù)領(lǐng)跑（25.9 GW）并遠高于第二名的美國（7.6 GW），隨后是德國、印度、英國、巴西和法國。

風電有利于改善能源結(jié)構(gòu)和減少溫室氣體排放，可帶來巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，各國都將其視為能源建設(shè)的重要任務(wù)。由于對環(huán)境十分友好且度電成本適中，風電已在許多國家實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化運營。目前全球風電產(chǎn)業(yè)正快速發(fā)展，機組趨于大型化，新增裝機容量、機械性能和發(fā)電能力大大提高。為進一步降低化石能源消耗和實現(xiàn)減排目標，各國陸續(xù)制定產(chǎn)業(yè)政策和規(guī)劃，促進風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2 陸上風電和海上風電

目前絕大部分利用風能發(fā)電的地區(qū)都是陸上風電和海上風電并存。陸上風電即在陸地上建設(shè)風電機組，具有自然環(huán)境較穩(wěn)定和技術(shù)較成熟的優(yōu)勢，但發(fā)電量隨季節(jié)、風速和風力變化較大，且占用大量土地資源;海上風電即在近海海面上建設(shè)風電機組，具有節(jié)約土地資源和發(fā)電量大的優(yōu)勢，但技術(shù)要求較高和運維難度較大[1]。

由于海上空氣濕潤且富含鹽分，易腐蝕風電機的鋼鐵架構(gòu)，進而損壞其軸承和偏航系統(tǒng)[2]，此外狂風大浪對風電機也有一定的損害，海上風電機的維修頻次遠高于陸上風電機組。

1.3 海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要地區(qū)

1.3.1 歐洲

歐洲是全球最早發(fā)展海上風電產(chǎn)業(yè)的地區(qū)，發(fā)電技術(shù)、配套供應(yīng)鏈、政策體系和金融機制均較成熟，并處于全球領(lǐng)先水平。歐洲目前有11個國家共建設(shè)105座海上風電場，總裝機容量達18.5 GW，約占歐洲風電總裝機容量的10%。其中，英國和德國發(fā)展速度最快：2018年歐洲海上風電新增裝機容量為2 600 MW，英國和德國分別為1 300 MW和969 MW，占比約為87%;英國和德國海上風電總裝機容量分別達到8.1 GW和6.3 GW，位居歐洲國家前列。

2018年歐洲在建海上風電場的平均水深為27.1 m，平均離岸距離為33 km，均比2017年小幅度減小。但從歐洲海上風電項目規(guī)劃及其核準情況來看，為更充分地獲取風能，海上風電項目將向更大水深和更遠離岸距離發(fā)展。在目前已核準的海上風電項目中，最大水深約為50 m，最遠離岸距離已達200 km，更加惡劣的自然環(huán)境對海上風電機本身及其施工和運維等提出更高的要求，也從側(cè)面顯示歐洲海上風電產(chǎn)業(yè)的較高成熟度。

1.3.2 亞洲

亞洲海上風電起步較晚，屬于新興產(chǎn)業(yè)，目前發(fā)展較好的是中國、印度、日本和韓國。

中國是亞洲海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的國家，自2009年安裝調(diào)試30余臺3 MW海上風電機以來一直高速發(fā)展，相關(guān)配套政策和科研項目都對海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到促進作用;2018年印度新能源和可再生能源部啟動首個海上風電項目;2018年日本批準促進海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法案，并將規(guī)劃海上風電專屬海域和進行項目招標，中標者將獲得30年海上風電經(jīng)營權(quán)和競標電價保障。

1.3.3 美國

美國五大湖區(qū)、東海岸、西海岸和海灣區(qū)具有巨大的風能開發(fā)潛力。為推動海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2009年奧巴馬政府提出美國沿海大陸架可再生能源開發(fā)項目計劃;2012年美國能源部選擇4個海上風電先進技術(shù)示范性項目，并向每個項目投入400萬美元資助，以促進海上風電機組的商業(yè)化和規(guī)模化，同時有利于解決并網(wǎng)發(fā)電和審批不暢等問題。然而受成本高昂和公眾反對等因素的制約，美國直到2016年年底才建成第一座海上風電場，裝機容量為30 MW。2019年7月，美國第二座海上風電場正式開工建設(shè)。

此外，非洲和拉丁美洲的許多國家均蘊藏可觀的海上風能，但受經(jīng)濟和技術(shù)等條件的制約，業(yè)界普遍認為其海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展將耗費更長時間。

2 海上風電機維修市場

2.1 市場需求

與陸上風電相比，海上風電機的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且主要位于強風淺水海域，易受海水沖刷和腐蝕以及濕潤氣候的影響，受損威脅較大。因此，海上風電機維修市場的需求旺盛。

海上風電機組的故障率較高，其中發(fā)電機、齒輪箱和機械傳動系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)部件以及控制系統(tǒng)和變壓器等的故障最為常見。尤其是葉片裸露在海上環(huán)境中，同時受到海風帶來的啟動載荷影響、涌浪和潮汐傳遞的振動疲勞影響以及鹽霧和高濕熱環(huán)境影響，還有可能遭受海上雷擊，因此很容易損壞[3]。除故障維修外，根據(jù)規(guī)定，海上風電機組每年須進行1～4次常規(guī)檢修，然而由于海上風電機組處于復(fù)雜莫測的海上環(huán)境以及在投入使用前缺乏跟蹤記錄，實際檢修次數(shù)更多。

目前海上風電機維修需要人工操作，如更換保險絲和失效部件以及重置維修報警裝置等。由于海上風電是離岸發(fā)電，涉及維修人員和設(shè)備的運輸問題。目前運輸方式包括船舶和直升機，二者各有利弊：船舶運輸成本低，但耗時長，且易受海上天氣的影響，危險性較高;直升機運輸耗時短，且不易受海上環(huán)境的影響，安全性較高，但成本高昂，且可能受能見度的限制。其中，船舶包括大型運維船、小型運輸船和特殊船：大型運維船可運輸較多人員和大型設(shè)備，小型運輸船可運輸較少人員和小型設(shè)備，而特殊船是為解決維修人員在風浪作用下難以登陸的問題而專門設(shè)計的[4]。

隨著海上風電的智能化，互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能控制和傳感等技術(shù)逐漸被應(yīng)用于海上風電機維修。通過將海上風電機組的狀態(tài)評價和故障判斷等數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，經(jīng)大數(shù)據(jù)整合以及數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)檢測技術(shù)，有利于維修人員提前了解和分析已發(fā)生或可能發(fā)生的故障，及時采取有效的應(yīng)對策略。

2.2 市場特點

2.2.1 地區(qū)不均衡

海上風電機維修市場是順應(yīng)海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生的。由于歐洲海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，裝機容量大，質(zhì)保期外的風電機組多，風電滲透率較高，其海上風電機維修市場也較成熟，技術(shù)水平、準入標準和人員設(shè)備等方面處于全球領(lǐng)先水平。例如：歐洲擁有多艘先進的海上風電機運維船，維修人員均經(jīng)過系統(tǒng)的專業(yè)培訓(xùn)，英國早在2016年就聯(lián)合10座海上風電場籌備智能化運維監(jiān)控系統(tǒng)。

其他地區(qū)因海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，裝機容量仍有很大的提高空間，且大部分風電機組仍在質(zhì)保期，海上風電機維修市場發(fā)展緩慢甚至處于萌芽狀態(tài)。例如：中國的海上風電機運維船大部分由漁船和交通艇等改造而成，且集中在江蘇省和福建省;缺乏完備的維修人員培訓(xùn)體系，維修人員理論知識掌握較好，而實踐機會有限;智能技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用。

2.2.2 核心技術(shù)壟斷

目前海上風電機維修屬于新興市場，核心技術(shù)由主要競爭者掌握。例如：英國有大量從事海上風電理論研究的機構(gòu)，包括政府、商業(yè)顧問、高校和民間組織等，這些機構(gòu)通常會聯(lián)合開展大型項目的研究，并通過具體的子項目實現(xiàn)，其中影響力較大的項目包括HOMW Project（人工智能等應(yīng)用）和O & M Innovation Hub（創(chuàng)新解決方案）。

目前全球只有歐洲國家對海上風電從業(yè)人員的技能要求形成統(tǒng)一的理論和實踐標準，即建立安全監(jiān)督體系和行業(yè)標準協(xié)調(diào)發(fā)展監(jiān)督機制，制定GWO-BST培訓(xùn)標準，并以其為基礎(chǔ)形成包括機械、電氣和液壓3個方面的技術(shù)理論和實踐培訓(xùn)標準[5]。

2.2.3 處于藍海期

總體來看，全球海上風電機維修市場的發(fā)展仍處于藍海期。目前全球海上風能只開發(fā)利用極小部分，隨著海上風電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對于風電機維修的要求將更加專業(yè)化，行業(yè)準入標準將不斷提高。

2.3 市場潛力

海上風電機維修市場本身即蘊藏巨大的發(fā)展?jié)摿Γ送膺€可帶動上下游產(chǎn)業(yè)的聯(lián)動發(fā)展。例如：歐洲海上風電機維修市場的發(fā)展推動制造業(yè)、金融業(yè)和零售業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大大增加就業(yè)崗位[6]。

2.3.1 部件和工具及其供應(yīng)鏈供給

受惡劣環(huán)境的影響，海上風電機組故障率很高，且故障部件集中和替換率較高，對部件和工具及其供應(yīng)鏈的需求極大。但目前全球海上風電機維修市場仍不成熟，難以確保部件和工具的準時送達。

2.3.2 運維船制造

目前海上風電運維船主要分為普通運維船、專業(yè)運維船、運維母船和自升式運維船4個類型。普通運維船適用于天氣較好和離岸較近的情況，其典型特點是航速較低、普通舵槳推進以及耐波性和靠泊能力較差;專業(yè)運維船包括單體船、雙體船和三體船等船型，同樣適用于離岸較近的情況，但可在復(fù)雜天氣下出航，具有航速較高、全回轉(zhuǎn)推進以及耐波性和靠泊能力較強的特點;運維母船具備DP定位和補償懸梯功能，適用于離岸較遠的情況，可供維修人員住宿和存放部件設(shè)備，靠泊能力很強;自升式運維船主要用于更換較大部件，具備一定的起重能力，擁有自升式平臺，可適應(yīng)水深40 m內(nèi)的大多數(shù)海上作業(yè)[7]。

運維船對于海上風電項目不可或缺。全球海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將促進運維船制造業(yè)的發(fā)展，同時對運維船的專業(yè)化提出更高要求。

2.3.3 智能化產(chǎn)品服務(wù)

傳統(tǒng)的海上風電機維修僅是發(fā)生故障后的維修，對故障缺乏預(yù)見性，且未建立規(guī)范化和系統(tǒng)化的運維體系。此外，海上風電機發(fā)生故障時如遇惡劣天氣，可能數(shù)月無法維修，造成巨大的損失和浪費。可以預(yù)見，全球海上風電場將井噴式發(fā)展，規(guī)模也將持續(xù)擴大，且將水深更大和離岸更遠，因此智能化運維成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等手段，對海上風電場進行監(jiān)控和記錄，建立系統(tǒng)的檢測和運維平臺，形成數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)分析對潛在故障進行預(yù)判和預(yù)防。

2.3.4 人員技能培訓(xùn)

海上風電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其所處的環(huán)境均比陸上風電機更加復(fù)雜，對于維修人員的技能要求更高。

海上風電場的人為事故主要發(fā)生在人工搬運、登高作業(yè)和船舶登陸等方面。歐洲國家對海上風電從業(yè)人員的技能要求已形成較高的理論和實踐培訓(xùn)標準，且投入極大的人力和物力以滿足標準認證的要求，因此人為事故率極低，且涉及嚴重傷害或死亡的重大事故極少。根據(jù)英國國家工作船協(xié)會（NWA）的安全報告，由于運維船船員和維修人員技能水平的提高，2014-2017年海上風電場事故率穩(wěn)步下降。

然而對于海上風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚未成熟的地區(qū)來說，人員技能培訓(xùn)仍是“短板”。相關(guān)培訓(xùn)以理論為重點，而缺少足夠的實踐訓(xùn)練，且配套設(shè)施不完善，導(dǎo)致大部分從業(yè)人員對海況和風電機結(jié)構(gòu)等信息不夠熟悉。隨著越來越多的海上風電場投入使用，專業(yè)維修人員將十分緊缺，技能培訓(xùn)領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿^大。

3 市場投資SWOT分析

3.1 優(yōu)勢

目前全球大部分地區(qū)的海上風電產(chǎn)業(yè)剛剛起步，發(fā)展較快但不成熟，大部分風電機組由陸上風電機組改造而來，再加上惡劣的海上環(huán)境，導(dǎo)致風電機組故障多發(fā)，維修頻次增加，部件更換頻繁。此外，海上風電機維修需要大量的部件、工具和人員，無形中帶動制造業(yè)等其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時增加就業(yè)崗位，市場前景廣闊。

3.2 劣勢

與陸上風電機相比，海上風電機結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，所處環(huán)境更惡劣，故障率高且故障類型多，對維修工具和維修人員技能水平等的要求較高，對投資方的資質(zhì)和實力的要求也較高。此外，海上風電機維修所需部件應(yīng)具有更強的抗鹽霧性和抗腐蝕性，高性能運維船是維修必備，海上天氣有可能影響維修效率，這些情況都可能導(dǎo)致投資利潤降低。

3.3 機遇

全球蘊藏極為豐富的海上風能，目前只開發(fā)利用極小部分，海上風電裝機容量將快速提高，維修量勢必大幅度增加。目前風電機制造技術(shù)仍不成熟，故障率較高，隨著質(zhì)保期的臨近，維修需求將攀升。未來的海上風電項目將向水深更大和離岸更遠的方向發(fā)展，面臨比近海更加惡劣的海上環(huán)境，更加迫切需要高質(zhì)量的維修服務(wù)。

3.4 風險

目前海上風電機維修市場仍不成熟，部件和工具及其供應(yīng)鏈等都有很大的改進空間。維修技術(shù)滯后和監(jiān)測預(yù)警機制缺失等可能使維修過程中產(chǎn)生大量人力和物力浪費，導(dǎo)致投資利潤低于預(yù)期。此外，由于維修人員缺乏實踐經(jīng)驗，在維修過程中可能面臨較大的安全風險。

4 結(jié)語

海上風電機維修市場具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ袌鲆?guī)模將逐漸擴大且日益專業(yè)化和智能化，還可帶動上下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)動發(fā)展，投資前景看好。盡管發(fā)展過程中面臨風險，但作為電力行業(yè)的直接關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)，該領(lǐng)域?qū)㈤_拓更大的市場空間。

參考文獻

[1] 劉佰瓊，徐敏，劉晴.我國海上風電發(fā)展的主要問題及對策建議[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32（3）：7-12.

[2] 黃東風.歐洲海上風電的發(fā)展[J].能源工程，2008（2）：24-27.

[3] 鄭小霞，葉聰杰，符楊.海上風電場運行維護的研究與發(fā)展[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（11）：90-94.

[4] DEDECCA J G，HAKVOORT R A，ORTT J R.Market strategies for offshore wind in Europe：a development and diffusion perspective[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，66：286-296.

[5] 滕冠扣.淺析人員技能培訓(xùn)對海上風電運維安全的必要性[A].中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風力機械分會.第五屆中國風電后市場專題研討會論文集[C].2018.

[6] 張效莉，張從容.歐洲海上風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)比較研究[J].海洋經(jīng)濟，2014，4（5）：55-62.

[7] 孫海瑩.一種基于現(xiàn)代云臺技術(shù)的海上風電維修船用登陸系統(tǒng)[D].大連：大連理工大學，2016.