漂浮式海上風電發展概述

文 | 上海電氣風電集團股份有限公司 許移慶，張友林

自2009 年挪威首臺立柱（Spar式）漂浮式海上風電機組安裝以來，全球海上風電迎來了漂浮式時代。從能源分布上看，海上風能資源儲量豐富，但面對苛刻的深遠海環境條件，傳統固定式海上風電在技術和經濟上面對的挑戰急劇增加，歐美和日韓風電巨頭逐步聚焦漂浮式海上風電技術的研發。總體而言，漂浮式海上風電市場經歷了從小規模單臺樣機（2009―2015 年）到小型風電場示范（2016―2022 年）的演變過程。

漂浮式海上風電項目進展

一、單臺兆瓦級示范項目

在挪威Hywind demo 漂浮式樣機項目之后，涌現出眾多新的漂浮式基礎方案。部分方案完成了實尺度樣機的安裝，并開展驗證研究（見表1）。

（一）挪威Hywind demo 項目

Hywind 漂浮式海上風電機組基礎方案是由挪威國家石油（Statoil 公司，2018 年更名為Equinor）借鑒海上漂浮式航標的創意于2002 年提出，為立柱式基礎的代表。在經歷了概念設計、分析理論的發展、縮尺模型的水池試驗階段后，2009 年，Equinor 在挪威Karmoy 海域開發了世界上第一個全尺寸漂浮式機組的樣機項目，原計劃部署兩年，但至今仍在服役發電。

Hywind 項目中立柱式技術的特征包括：基礎內部包含浮力艙和壓載艙，浮力艙位于基礎的上段，為上部風輪、機艙、塔筒等結構提供支撐浮力；壓載艙位于基礎的下段，通過裝載水、碎石或高密度混凝土進行壓載，使系統重心位于浮心之下；基礎外部通過3 根錨索固定于水底，在水中形成“不倒翁”式結構，具有無條件穩定、運動周期長、所受垂向波浪力小等優點。

Hywind 項目技術方案的浮體吃水深，存在建造、安裝的局限。例如，應用該基礎時，需要經過濕拖、扶正、系泊系統回接、海上壓載、海上機組安裝、整體調試等環節。由于挪威有條件良好的深水港灣，基礎的扶正、壓載可以在港灣內進行；但是在中國，上述所有作業都需要在開闊海域進行。

（二）葡萄牙WindFloat 項目

基于美國西雅圖的PPI（Principle Power, Inc）公司提出的WindFloat 三立柱半潛式海上風電機組技術，2011年，EDP（Energias de Portugal）等企業在葡萄牙的Agu?adoura 近海安裝了首臺WindFloat 樣機，這是全球首個半潛式海上風電樣機項目。樣機在5 年的驗證階段，經受住了超過17m 的巨浪以及30 m/s 大風的惡劣天氣考驗。2017 年，該項目以少于50 萬歐元的成本拆除，充分體現出漂浮式機組在拆除方面的優勢。

WindFloat 漂浮式機組技術采用非對稱浮體布置方案，機組塔筒偏置于其中一個浮體上。其技術特征包括：靜態壓載系統、主動壓載系統和垂蕩板系統。其中，靜態壓載系統通過在3 個浮體內部隔艙中裝載壓載水的方式，保障系統整體重心位于結構的垂向幾何中心線上。主動壓載系統根據機組的運動姿態調整3 個浮體的排水和壓載水質量，以補償風速和風向變化引起的機組運動。3 個浮體下端設置的垂蕩板結構，使平臺在垂向運動過程中增加了附加水質量，進而改變基礎的固有周期。

（三）法國FLOATGEN 項目

近年來，法國Ideol 公司開發的阻尼池半潛式海上風電機組解決方案受到廣泛關注。2018 年，由Centrale Nantes 和SEM-REV 公司聯合開發的FLOATGEN 項目投入運營，場址水深為33m，采用Vestas 的V80-2.0MW 機組。運營以來，樣機表現優異，2019 年共發電6GWh，下半年的可利用率達94.6%。

表1 單臺漂浮式樣機示范項目

該方案采用中空環形阻尼池技術實現類似減搖液艙的功能。技術特征包括：采用鋼筋混凝土材料建造環形基礎主體結構，既可以減少結構的用鋼成本，又能夠降低基礎的結構重心高度，保證基礎的穩定性；基礎采用6 條系泊纜繩與海底鏈接，保障平臺具有足夠的系泊安全冗余；基礎底部外圍安裝大面積的垂蕩板結構，增加了基礎的運動阻尼，能有效抑制平臺的垂蕩運動；基礎吃水淺，垂向特征尺寸小，對港口、航道和風電場環境水深的適應性強，登船便捷，基礎平臺上作業空間較大，設施維護容易。

（四）日本GOTO 項目

除歐美外，日本在漂浮式海上風電方面走在世界前列。自2011 年福島核電站因海嘯而發生核泄漏后，日本啟動棄核計劃，并積極發展風能等可再生能源。在豐富的海上風能資源以及積極的政策支撐下，日本較早啟動漂浮式機組的研發。2011 年，由日本環境省啟動的GOTO 項目是亞洲首例全尺寸漂浮式機組樣機項目1: http://www.4coffshore.com/。它由戶田建設、富士重工、九州大學、日本海上技術安全研究所的聯合體實施，位于日本的長崎縣五島市樺島（Kabashima）離岸1km、水深91m的海域，采用富士重工（其風電業務板塊于2012 年被日立收購）的2MW下風向機組，基礎為長76m、直徑7.8m的Spar 式結構。樣機的五十年一遇設計浪高為8.4m，但試運行不久即遭遇2012 年的第 16 號臺風 Sanba，成功抵抗9.5m 高的波浪。2015 年，完成樣機試驗，結果認定這一漂浮式基礎的安全性好，且對環境影響小，可繼續營運。此后，樣機遷移至福江島東岸崎山沖（Sakiyama）近海約100m水深海域繼續運行至今。

（五）日本Fukushima Forward項目

日本Fukushima Forward 漂浮式海上風電場是安裝漂浮式樣機型式最多的示范項目，位于距離福島楢葉町沿岸約20km、水深約120m 的海域。目前，已經安裝了1 臺2MW、1臺7MW 和1 臺5MW 機組，并安裝世界上第一個25MVA 的漂浮式海上升壓站，工程總投資188 億日元。其中，2MW 機組是日本日立公司（原富士重工的風電業務板塊）生產的下風向機組，風輪直徑為80m，于2013 年11月11 日并網發電。7MW 機組是日本三菱生產的上風向機組，風輪直徑為167m，于2015 年7 月29 日拖至示范項目現場，2016 年8 月前并網發電。5MW 機組同樣是由日立公司生產的下風向機組，風輪直徑為126m，于2017 年3 月并網發電。

（六）其他建設中的項目

除上述進入安裝運行階段的樣機項目外，近年來，一些新型漂浮式基礎方案也逐步獲得示范核準，并即將進入樣機安裝階段。例如，丹麥

Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司從漂浮式機組基礎建造便利性的角度出發，提出了Tetraspar 漂浮式方案。它設計的同一套基礎構件可滿足固定式、立柱式、半潛式、張力腿式多種工作模式的組裝要求，基于批量化、模塊化建造原則實現基礎成本的最大程度下降。目前，應用該方案的樣機項目已完成核準與融資，將于2020 年在挪威北海區域完成首臺西門子3.6MW 機組的示范應用。此外，西班牙Saitec 公司將于2020 年基于其淺吃水雙體船漂浮式方案SATH 開展樣機項目融資。瑞典SeaTwirl 公司將于2021 年建設1MW 垂直軸漂浮式樣機項目。德國GICON 公司將于2022 年基于其張力腿式方案建設樣機項目，采用西門子的2.3MW 機組。此外，三峽新能源公司也將于2021 年7 月在廣東省陽江市沙扒鎮近海28km海域建設中國首個漂浮式機組項目，擬采用5.5MW 機組。

二、小批量示范項目

除上述已完成安裝的單臺樣機示范項目外，Hywind 技術憑借起步早、技術成熟度高的優勢步入了小批量示范應用階段。在葡萄牙和英國，WindFloat Atlantic 和Kincardine 項目分別采用WindFloat 半潛式機組技術，正在開展小批量示范風電場的建設。此外，近年來，法國逐步成為漂浮式海上風電的后起之秀，政府核準建設的小批量示范項目包括EolMed、Groix & Belle-Ile、Provence Grand Large（PGL）等（見表2）。

（一）已建成項目

Hywind Scotland 項目是目前僅有的已建成小批量漂浮式海上風電的商業化項目。它于2015 年由挪威Equinor 公司與阿聯酋Masdar公司聯合發起，2017 年，基于第二代Hywind 漂浮式技術在英國蘇格蘭的北海區域建立。項目裝機容量為30MW，采用5 臺西門子的6MW 機組。基礎相對于Hywind demo 的立柱式結構進行了主尺度優化，水下浮體直徑增加至14.4m，吃水深度減小至78m，每套系統排水量為11200 噸。

（二）建設中項目

PPI 公司的WindFloat 半潛式技術雖然起步晚于Hywind Scotland 項目所用的立柱式技術，但適用于更寬的水深范圍，更符合市場的需求，目前已啟動兩個小批量示范項目。位于葡萄牙的WindFloat Atlantic 項目由WindPlus 公司開發，它由EDP Renováveis、Repsol S.A. 及PPI 三家企業聯合成立。項目裝機容量為25.2MW，采 用3 臺MHI Vestas 的V164-8.4MW 機 組。2019 年7 月，第一臺機組成功安裝，另外兩臺機組將于2020 年完成安裝及并網。

Kincardine 項目是繼Hywind Scotland 之后蘇格蘭海域的第二個漂浮式海上風電項目，由Cobra 公司開發，裝機容量為49.5MW，采用1 臺2 MW 和5 臺MHI Vestas 的V164-9.5MW 機組。第一臺漂浮式機組來自于WindFloat 項目的退役機組和基礎，現已并網發電，預計2020 年完成整個項目的開發建設。

（三）已核準待建設項目

截至目前，已核準待建設的小批量漂浮式海上風電項目均位于法國。其中，Groix & Belle-Ile 項目位于法國Brittany 海域，由EOLFI 和中廣核歐洲能源等企業組成的聯合體—FEFGBI 公司負責開發。項目計劃安裝3 臺MHI Vestas 的V164-9.5MW機組，基礎采用Naval Energies 公司開發的四立柱半潛式方案，基礎的上部浮筒采用鋼質材料，下部采用混凝土材料。項目計劃于2022 年建成。

鑒于地中海良好的海洋波浪環境，法國的其他待建項目均位于這一海域。例如，EolMed 項目位于地中海Occitanie 區域，采用Ideol的阻尼池漂浮式基礎技術，裝機容量共24.8MW， 采用4 臺Senvion的 6.2MW 機組， 將于2020 年啟動， 預計2021 年建成。Provence Grand Large 項目位于地中海Fose sur Mer 區域，由法國電力公司EDF Renewables 開發，預計安裝3 臺西門子歌美颯的8.4MW 機組，基礎采用SBM Offshore 和IFP Energy 聯 合開發的新一代TLP 式方案—SBM WindFloater，預計2021 年正式運營。Eoliennes Flottantes du Golfe du Lion 項目位于地中海Leucate 近海區域，同樣由Engie 和EDPR 聯合開發，預計安裝3 臺MHI Vestas 的V164-10.0 MW 機組，基礎采用PPI 的半潛式方案WindFloat，預計于2022 年正式運營，屆時將成為單機容量最大的漂浮式機組。

表2 小批量漂浮式示范風電項目統計

三、大批量商業化運營項目

目前尚無進入大批量商業化運營階段的漂浮式海上風電項目。根據現有的開發計劃，最早進入該階段的漂浮式海上風電項目將是Hywind Tampen 風 電 場。 它 由Equinor 公司開發，位于挪威北海北部水深110m 的Tampen 海 域， 裝 機 容 量為88MW，安裝11 臺西門子歌美颯的SG 8.0-167 DD 機組，基礎采用Hywind 立柱式混凝土平臺方案。2019 年10 月，項目完成投資決策，預計于2022 年建成，屆時輸出的電能將滿足附近5 個海上石油平臺年用電量的35%。另外，根據美國和日本的漂浮式海上風電發展規劃，2025 年后將開發400MW 級的項目，意味著屆時漂浮式海上風電真正迎來大批量商業化運營階段。

挑戰與發展趨勢

一、挑戰

十余年來，漂浮式海上風電穩步發展，同時也面臨一系列的技術和市場挑戰。這里依據英國Carbon Trust基金會對歐美漂浮式機組方案研發者開展的問卷調研，從機組成本下降空間、技術突破緊急程度、知識產權敏感性三個維度對漂浮式海上風電的技術挑戰進行識別。表3 從13 個關鍵技術點對漂浮式海上風電項目的影響程度進行評分劃級，各技術點的打分區間為1～3 分。從漂浮式海上風電成本下降空間的角度可見，歐美研發者普遍認為支撐平臺的主尺度和結構重量對項目建設成本的影響最為明顯，技術優化的空間最大。此外，漂浮式海上機組的安裝技術、返港檢修運維技術也具有較大的降本空間。在技術突破的緊急性方面，大多數挑戰被認為具有較高的優先級。值得注意的是，漂浮式升壓站技術雖然是一個較遠期的事項，只有在商業化規模的項目中才有應用的必要，但其對漂浮式海上風電項目的成本降低存在重要影響。盡管直接降低成本的作用有限，但先進仿真計算技術是一個關鍵的近期技術挑戰，并可以幫助其他方面的成本下降。在知識產權保護方面，漂浮式支撐平臺、控制技術、系泊系統等結構具有較高的產權沖突挑戰，可以通過聯合項目或合作研發來應對。

此外，漂浮式海上風電技術雖然經過了樣機驗證，但在市場推廣方面同樣面臨較多挑戰。在對漂浮式海上風電的認識方面，部分投資者建議在固定式海上風電場充分開發之后，再開發深水漂浮式海上風電場，對漂浮式風電場工業化后平準化度電成本（LCOE）的降低潛力缺乏信心。在漂浮式海上風電項目的資金投入方面，樣機項目的研發成本高昂，歐美金融機構對其風險評估偏保守，研發組織缺乏開展高質量數值模擬、物理試驗的設備租金。在合作機制方面，創新者缺乏行業合作伙伴，難以尋找合適的海上試驗場，并獲取并網許可。在政策方面，缺乏長期的制度支持。

表3 關鍵技術挑戰的優先級劃分2:Carbon Trust. Floating Off shore Wind: Market and Technology Review [R]. Stamford Street 27-45, London, UK, 2015.

二、發展趨勢

（一）技術發展趨勢

1. 機組

漂浮式海上風電的發展受到機組、支撐結構、輸配電技術的綜合制約。在機組選型方面，目前，所有的漂浮式海上風電項目均采用與固定式海上風電通用的機型，這是由于當前漂浮式海上風電機組市場尚處于發展初期階段，短期沒有大批量應用的市場需求，整機廠商定制研發匹配于漂浮式基礎的機組將承擔較大的技術和經濟風險。隨著漂浮式海上風電商業化市場的到來，機組的發展會呈現下列趨勢：

機組定制化。適用于傳統固定式基礎的機組對支撐結構的振動響應具有苛刻的要求，且不同類型的漂浮式基礎在平臺運動特征、固有頻率范圍的差別迥異，需開發適用于特定漂浮式基礎的機組。

容量大型化。漂浮式海上風電項目趨于采用大兆瓦機組，進而降低項目成本。例如，葡萄牙的WindFloat Atlantic 項 目 計 劃 安 裝3 臺MHI Vestas 的V164-8.4 MW 風 電 機 組，蘇格蘭的Kincardine 項目正在安裝5臺MHI Vestas的V164-9.5 MW機組。

新的控制策略。當漂浮式機組在高于額定風速的條件下發電時，基于功率的控制目標可能引起與風速和風輪俯仰角相關的負推力梯度，產生負的氣動阻尼，并將導致運動放大到可能超過機組設計極限的水平。為了避免該現象的發生，需要對漂浮式機組的控制器進行優化設計。

2. 支撐結構

海上風電項目的成本取決于所用支撐結構的特點。對于漂浮式海上風電而言，支撐結構的成本占比高達40%，同時還對降低系統其他部分的成本有重要影響。例如，可通過批量化制造、岸上裝配和調試，以及最大限度地減少昂貴的海上運維作業等措施降低項目費用。為實現漂浮式海上風電項目的成本下降和推廣應用，在支撐結構方面將呈現以下技術發展趨勢：

方案多樣化。在對漂浮式基礎方案不斷進行總布置、主尺度優化的同時，近年來涌現出多種結構特征鮮明、設計理念獨特的新型漂浮式基礎方案。如前文提及的Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司提出的TetraSpar 方案。

新材料的推廣應用。傳統漂浮式機組的結構重心高、穩性差，導致基礎主尺度和用鋼量難以降低。近年來，一些方案采用混凝土等高密度、低單價材料作為漂浮式基礎的主要建造或壓載材料，有效降低機組的重心，減少基礎的主尺度和建造費用。

3. 動態電纜

漂浮式機組基礎在波浪和風的聯合作用下不斷移動，電力電纜的連接點也隨之運動。這就要求開發商和電纜制造商采用動態電纜，以確保電纜上的周期性載荷和彎曲不會對系統造成損害。動態電纜的研發是漂浮式海上風電技術推廣的重要環節之一，在不遠的未來，動態電纜將逐步應用于漂浮式海上風電項目中。例如，裝機容量為25.2MW 的葡萄牙WindFloat Atlantic 項目采用海底電力電纜和臍帶電纜供應商JDR 公司的動態電纜，將是行業內首次應用66kV 的動態電纜。

（二）成本發展趨勢

盡管仍處于預商業化階段，但漂浮式海上風電被普遍認為是未來海上風電的可行技術，這得益于近年來一系列樣機的成功運行。然而，平準化度電成本是困擾漂浮式海上風電發展的重要因素。圖1 展示了各研究機構和咨詢公司對漂浮式海上風電平準化度電成本發展趨勢的預估，除了ORE Catapult 提供的數據之外，其他估算數據都是基于商業化規模的漂浮海上風電場以及與成熟工業相匹配的行業收益學習曲線。圖中數據顯示漂浮式海上風電的平準化度電成本有望由2020 年的200 美元/兆瓦時左右下降到2030 年的70 美元/兆瓦時。

2015 年至2030 年期間的成本下降與漂浮式機組的部署實踐相關，包括單臺樣機項目階段（2015―2017年），多臺樣機小批量示范項目階段（2018―2022 年），中等批量到全面商用項目階段（2023―2030 年）。目前，漂浮式海上風電技術的成本數據是基于少量的樣機和處于設計或施工階段的項目測算的，故而技術進步會導致該成本的大幅降低。此外，固定式海上風電技術及其商業化發展經驗可能會被轉化至漂浮式海上風電系統，因而美國國家可再生能源實驗室（NREL）的成本估算表明，漂浮式海上風電項目成本可能會比固定式海上風電成本下降的速度更快，成本降低的途徑包括：充分利用固定式機組系統的降本、創新和經驗；充分利用現有的供應鏈；優化結構，使用更輕的組件和更多的模塊化功能；充分利用碼頭的機組和支撐結構吊裝資源，減少海上施工的步驟和復雜性；借鑒海洋工程平臺成熟的批量化生產和制造技術；獲取優于近岸的風能資源。

圖1 漂浮式海上風電平準化度電成本發展趨勢預估3:Walter M., Philipp B., Paul S., et al. 2018 Off shore Wind Technologies Market Report [R]. U.S. Department of Energy, P.O. Box 62, Oak Ridge, State of Tennessee,USA, 2019.

結論

在全球海上風電向深遠海發展的趨勢下，漂浮式海上風電從研究逐步走向商業化應用。本文通過對全球兆瓦級漂浮式海上風電項目的統計和分析，得到如下結論：

（1）漂浮式海上風電項目仍以單臺兆瓦級示范樣機為主。已建設的8個項目中，6 個為單臺兆瓦級示范項目。此外，尚有4 個單臺兆瓦級漂浮式海上風電項目處于施工建造階段。

（2）越來越多富有創意的漂浮式基礎方案開始進入兆瓦級示范項目建設階段。例如，丹麥Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司的Tetraspar 多工作模式方案，西班牙Saitec 公司的SATH 淺吃水雙體船基礎方案等，均開始樣機的建設。

（3）漂浮式海上風電技術日益成熟，商業化應用前景可期。例如，裝機容量為30MW 的Hywind Scotland項目已并網發電，步入小批量示范風電場應用階段；裝機容量為88MW 的Hywind Tampen 風電項目也完成了投資決策，將于2022 年完成建設。