海上風力發(fā)電的現(xiàn)狀及展望

許立國，任建宇

（1.中電建新能源集團有限公司，北京 100101；2.天津大學建筑工程學院，天津 300350）

引言

作為一種新興的海上新能源，海上風電具有風速更高、風能資源更豐富、單機容量高、靠近東部用電負荷中心、就地消納方便、噪音污染小的優(yōu)點。經(jīng)過連續(xù)多年的高速增長，我國海上風電裝機總量已居世界第一[1]。因此，大力發(fā)展海上風電成為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的主要手段之一。

我國海上風電的發(fā)展主要集中在東部沿海地區(qū)經(jīng)濟較為發(fā)達的省份，如：福建、廣東、江蘇、上海等地區(qū)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國風電行業(yè)的新增裝機容量已經(jīng)達到55.8 GW，與2020 年相比具有3 %的小幅度下降。其中，陸上風電新增裝機容量為41.6 GW，同比下降23 %；海上風電新增裝機容量14.2 GW，同比增長351 %。圖1 為近年來我國海上風電新增和累計裝機容量統(tǒng)計[2]。

圖1 2013-2021 年我國海上風電累計和新增裝機容量

1 國內(nèi)海上風力發(fā)電現(xiàn)狀分析

近年來，我國海上風電行業(yè)從科研階段到設(shè)計階段再到最后的施工運維階段都取得了飛速的發(fā)展，與歐洲成熟市場之間的差距越來越小。在風機容量以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式方面取得了突破性進展。

在裝機容量方面，目前我國已經(jīng)逐步掌握了4～7 兆瓦級風機的制造能力，7 兆瓦及以上風機產(chǎn)品制造數(shù)量也呈現(xiàn)日益增加的趨勢；10 兆瓦及以上更大容量的風機目前正處于科研階段[3]。

海上風機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要包含固定式與漂浮式兩大類，我國目前安裝的海上風機用到的主要是固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要包括重力式、樁基-承臺式、單樁式、吸力筒式、多樁導管架式、吸力筒導管架式等，如圖2～7 所示，其優(yōu)缺點見表1。

表1 海上風電固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點

圖2 重力式基礎(chǔ)[4]

圖3 樁基-承臺式基礎(chǔ)

圖4 單樁式基礎(chǔ)

圖5 復(fù)合筒型基礎(chǔ)（吸力筒式）

圖6 單柱復(fù)合筒基礎(chǔ)（吸力筒式）

圖7 多筒導管架式基礎(chǔ)

而隨著近海風能資源的開發(fā)殆盡，我國海上風電的發(fā)展必然走向深遠海域。目前國內(nèi)外浮式風機基礎(chǔ)類型主要包括三種型式：Spar 式、半潛式和張力腿式，國內(nèi)外學者基于這三種基本類型衍生出了眾多的新型結(jié)構(gòu)型式，目前我國的漂浮式風機基礎(chǔ)已經(jīng)逐步從科研階段邁向下一步的設(shè)計生產(chǎn)階段。針對我國東南沿海臺風多發(fā)的情況，我國自主研發(fā)了全球第一臺具備抗臺風能力的漂浮式海上風電機組—“三峽引領(lǐng)號”，并于2021 年7 月13 日在廣東陽江海域順利安裝，如圖8 所示。這標志著我國已經(jīng)在一定程度上掌握了海上風機漂浮式基礎(chǔ)的自主研發(fā)、設(shè)計、施工和運維的技術(shù)。

圖8 三峽引領(lǐng)號

2 國內(nèi)海上風電相關(guān)政策分析

為保證我國海上風電行業(yè)的穩(wěn)健有序發(fā)展，有關(guān)部門陸續(xù)出臺了多項發(fā)展政策。在2022 年之前，風電行業(yè)的迅速發(fā)展在一定程度上得益于中央財政補貼，海上風電此前0.85 元/度的標桿電價度電補貼價為0.4 元左右，補貼金額約為陸上風電的3 倍。2022 年開始，海上風電新建項目將不再受中央財政的補貼，據(jù)推測，到2025 年，我國海上風電度電成本有望下降40 %以上，才能夠基本實現(xiàn)海上風電無補貼平價上網(wǎng)，所以此時中央及各省政府對海上風電的補貼只有做到逐步削減才能保證該行業(yè)的健康平穩(wěn)發(fā)展。國內(nèi)沿海地區(qū)必須要合理利用當?shù)亓己玫暮Ｉ巷L能資源，從而解決能源需求以及環(huán)境污染問題，首先當?shù)卣岣邔Νh(huán)境保護和能源利用的認識，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的發(fā)展觀念，只有從政府的角度進行轉(zhuǎn)變，才能夠自上而下的宣傳環(huán)境保護和能源利用意識，出臺相應(yīng)的政策、條文，讓人們正視能源應(yīng)用問題，以此保證能源的長期穩(wěn)定供應(yīng)。

據(jù)此，“十四五規(guī)劃”以及各沿海經(jīng)濟大省出臺了各項具體措施以保證該行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展。廣東、江蘇、廣西等多個沿海省份均陸續(xù)發(fā)布“十四五”甚至更長時間內(nèi)的海上風電相關(guān)規(guī)劃目標，見圖9。

圖9 中國海上風電重點省份規(guī)劃量[2]

截止2022 年3 月，我國各省海上風電相關(guān)政策匯總?cè)绫?。

表2 截止2022 年3 月中國各省海上風電行業(yè)政策匯總[5]

3 國內(nèi)海上風電發(fā)展存在的問題

近年來，海上風電在相關(guān)政策的支持下逐漸呈現(xiàn)有規(guī)劃的高速發(fā)展現(xiàn)狀，相繼形成了針對設(shè)計、建造、運輸、施工以及運維等幾個環(huán)節(jié)的相關(guān)規(guī)范，然而在高速的發(fā)展模式下，必然會帶來各種發(fā)展問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）海上風電場經(jīng)濟性較低：與陸上風力發(fā)電設(shè)備相比較，海上風力發(fā)電設(shè)備所處的環(huán)境更加復(fù)雜，面臨的挑戰(zhàn)也更多，這就意味著需要投入的資金、人力、物力也會進一步增加。主要體現(xiàn)在風機及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建造成本高、海上施工裝備租金高以及后期運維成本高而導致的度電上網(wǎng)電價較高[6]。我國從2022 年開始取消中央財政補貼后對海上風電行業(yè)進一步削減資本支出和運營成本提出了新的挑戰(zhàn)。

2）對生態(tài)環(huán)境有一定影響：主要體現(xiàn)在葉片運動而產(chǎn)生的噪音會對附近海域的鳥類生存造成一定的干擾[7]。

3）自主施工裝備及工程技術(shù)相對薄弱：由于海上風電產(chǎn)業(yè)屬于新興技術(shù)領(lǐng)域，所以存在著施工裝備緊缺、關(guān)鍵設(shè)備依賴進口嚴重的問題，同時，海上風機安裝與運維雖然與傳統(tǒng)海洋工程具有類比性，但是海上風機除基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到波浪海流等復(fù)雜海洋環(huán)境荷載的同時存在著上部葉片掃風面積大、塔筒結(jié)構(gòu)高聳而的現(xiàn)象，使得風機本身承受了較大的上部風荷載，形成了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到大彎矩和大水平力的受力特征，從而對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，所以需要進一步加強對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及其配套工程技術(shù)的研發(fā)力度。

4 國內(nèi)海上風電發(fā)展展望

在“十四五”期間，我國將以海上風電降成本為主要的發(fā)展目標，其主要手段將集中在以下幾個方面。

1）風機機組大型化：風電機組成本占海上風機總成本的比例為45 %～50 %，風電機組單機容量越大，達到同等的風電場規(guī)模所需風機臺數(shù)越少，進而達到降低成本的目的，因此，風電機組逐漸向著機組大型化和輕量化的方向發(fā)展，將會直接降低風電行業(yè)的非設(shè)備成本，同時，由于大葉片高塔筒的結(jié)構(gòu)型式可以達到降低最低風速要求的目的，能夠有效的提高風資源利用率，從而直接降低度電成本、提高土地資源利用率。

2）漂浮式海上風電：目前我國海上風電的開發(fā)主要集中在淺水灘涂海域，在近海即水深在5～ 50 m 的海域海上風能儲量約為5 億kW，據(jù)統(tǒng)計，水深大于50 m 的深水海域風能儲量約為13 億kW，這一儲量遠遠高于淺水區(qū)域。但是當水深大于60 m時，固定式海上風機建造以及維護的成本會急劇上升，且難以保證其安全性。漂浮式基礎(chǔ)因其可搭載更大功率的風機、適用于更深的海域而逐漸成為深遠海風能開發(fā)的必要技術(shù)手段，目前已經(jīng)成為了海上風能利用的重要研究方向，但卻存在著諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)亟待解決。

3）海上風電聯(lián)合其他產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展：隨著海上風電發(fā)展走向深遠海域，由風電場向外的輸電的成本會隨著海纜本身以及海纜鋪設(shè)工程成本的提高而快速增加，此外，錨固系統(tǒng)以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造價也較固定式基礎(chǔ)有較大的提升，這也是目前我國深遠海風電開發(fā)所面臨的主要挑戰(zhàn)。面對這一現(xiàn)狀，業(yè)內(nèi)人士提出了“多品種融合”的發(fā)展模式[8]，即將海上漂浮式風電與其他海洋工程的發(fā)展相結(jié)合，未來幾年，我國海上風電的發(fā)展也將從單一模式逐漸走向多品種融合的發(fā)展模式，海上風電將與海洋漁業(yè)、氫能、海水淡化等多種產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，以達到海洋能源的綜合開發(fā)利用，從而降低海上風電成本。

5 結(jié)語

近幾年來，國家的電力結(jié)構(gòu)正式步入了一個全新的階段，但是還需要進一步推動能源技術(shù)的改革和創(chuàng)新，從而讓海上風力發(fā)電能夠得到真正的開發(fā)利用，也能夠讓海上風能在電力生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。也只有充分借助包括海上風能在內(nèi)的新能源，才能夠有效解決能源儲備不足的問題，繼而從根本上提升我國的低碳經(jīng)濟水平，為建設(shè)國家良好的生態(tài)環(huán)境貢獻一份力量，為世界生態(tài)環(huán)境盡我們的綿薄之力。