國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及海域使用中的有關(guān)問題分析

1、6 海洋開發(fā)與管理2011年 第7期國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及海域使用中的有關(guān)問題分析周艷榮1,2,張 巍3,宋 強(qiáng)4(1 國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033;2 國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033;3 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院土木工程系 青島 266106;4 青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 青島 266100摘 要:文章介紹了國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀,探討了海上風(fēng)電場建設(shè)中應(yīng)該注意的有關(guān)問題。提出了海上風(fēng)電場選址應(yīng)該從符合海洋功能區(qū)劃、具備良好的外部依托條件和與水文動(dòng)力等自然條件相適應(yīng)等角度考慮,給出了海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)平面布置的原則;并指出了海上風(fēng)電場運(yùn)行后維護(hù)

2、工作的難度和重要性。關(guān) 鍵 詞:海上風(fēng)電;風(fēng)電機(jī)組;風(fēng)電場平面布置海上風(fēng)電由于其資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、對環(huán)境的負(fù)面影響較少;風(fēng)電機(jī)組距離海岸較遠(yuǎn),噪聲、視覺干擾很小;單機(jī)容量大,年利用小時(shí)數(shù)高;不占用土地資源等優(yōu)勢,近幾年發(fā)展迅速。截至2009年,全世界建成的海上風(fēng)電場有30余座,裝機(jī)容量達(dá)到了100萬kW1。海上風(fēng)電技術(shù)正在完善,海上風(fēng)電場開始進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段,潛力巨大。筆者主要介紹國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)狀,探討海上風(fēng)電場建設(shè)中應(yīng)該注意的有關(guān)問題。1 國外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀對于海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)來說,歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)相當(dāng)成熟,而我國對海上風(fēng)電發(fā)展則剛剛起步,各方面都還很不成熟,正因?yàn)槿绱?非常有必要

3、了解和吸收國外海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn),從中獲得啟示,以加快我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐。1 1 歐洲海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀歐洲是全球海上風(fēng)電發(fā)展最快的地區(qū)。目前,全球海上風(fēng)電場主要分布在丹麥、英國、荷蘭、瑞典和愛爾蘭等歐洲國家。根據(jù)2010年1月,歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(EWEA發(fā)布的 2009歐洲海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的主要趨勢和統(tǒng)計(jì)資料 ,至2009年底,歐洲水域中共安裝、并網(wǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)達(dá)到828臺(tái),遍布9個(gè)歐洲國家的38個(gè)風(fēng)電場,總計(jì)安裝容量為2056M W(表1。表1 至2009年底歐洲各國海上風(fēng)機(jī)安裝情況國家渦輪機(jī)數(shù)量/臺(tái)容量/M W風(fēng)電場數(shù)量/個(gè)英國287882 8012丹麥305639 159瑞典7516

4、3 655荷蘭130246 804德國942 004比利時(shí)630 001愛爾蘭725 201芬蘭824 001挪威12 301合計(jì)8282056 0038丹麥的風(fēng)能資源非常豐富,也是世界上最早大規(guī)模開始風(fēng)力發(fā)電的國家,在風(fēng)電技術(shù)上也位居世界領(lǐng)先地位。丹麥主要的風(fēng)機(jī)裝備制造商維斯塔斯早在20世紀(jì)90年代初就開始研究海上風(fēng)電技術(shù),是最早掌握海上風(fēng)電技術(shù)開發(fā)的公司。1990年,丹麥安裝了全球第一臺(tái)示范近海風(fēng)電機(jī)組,單機(jī)容量220kW。自此,世界風(fēng)電發(fā)展跨入了另一個(gè)時(shí)代。1997年,丹麥政府制訂了海上風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃,預(yù)計(jì)2010年,丹麥的海上風(fēng)電將達(dá)到100萬kW。目前,丹麥建成了9個(gè)海上風(fēng)電第7期周艷

5、榮,等:國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及海域使用中的有關(guān)問題分析7場,總裝機(jī)容量60萬kW余,占世界海上風(fēng)電的1/3、歐盟海上風(fēng)電的1/2。英國海上風(fēng)電項(xiàng)目穩(wěn)步增長,由于英國海域內(nèi)風(fēng)力資源占?xì)W洲總資源相當(dāng)大的比例,因此發(fā)展前景比較樂觀。相關(guān)研究報(bào)告估計(jì),英國海上風(fēng)能接近1000TW h,相當(dāng)于全國年總用電量的數(shù)倍。綜合英國優(yōu)越的海上風(fēng)能資源,強(qiáng)大的海上政權(quán)以及2015年15%新能源比例的強(qiáng)制性政策建立,英國被認(rèn)定是全球海上風(fēng)電最佳市場。自2000年12月英國第一座海上風(fēng)電場 諾森伯蘭郡布萊斯海港風(fēng)電場批準(zhǔn)建立以來,已有13座海上風(fēng)電場陸續(xù)建立起來,總裝機(jī)容量超過1155MW。其中12座海上風(fēng)電場已完成

6、并網(wǎng)發(fā)電,總裝機(jī)容量達(dá)到882 8MW。德國海上風(fēng)力發(fā)電起步比較晚,國內(nèi)首座海上風(fēng)能電站 阿爾法文圖斯 始建于2008年7月,2010年4月27日在北海正式并網(wǎng)發(fā)電,這標(biāo)志著德國海上風(fēng)電進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期。阿爾法文圖斯電站位于離德國北部島嶼波爾庫姆以北45km的北海海域,造價(jià)達(dá)2 5億歐元,現(xiàn)裝有12臺(tái)風(fēng)能裝置(俗稱 風(fēng)車 ,每臺(tái)裝置的裝機(jī)容量均為5000kW,一年共發(fā)電至少2 2億kW h,從理論上可滿足5萬家庭的用電需求。這樣級別的裝機(jī)容量在世界海上風(fēng)電站的建設(shè)史上還是首次,阿爾法文圖斯被稱為 示范項(xiàng)目 ,主要是為今后的海上風(fēng)電站建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。1 2 北美海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀北美的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)近

7、些年來發(fā)展非常迅速,尤其是美國和加拿大。隨著近年來全球清潔能源和可再生能源發(fā)展勢頭的日益強(qiáng)勁,美國加快了風(fēng)電發(fā)展步伐,尤其是2006年以后發(fā)展速度較快,到2009年,風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到35159MW,風(fēng)力發(fā)電量占到總發(fā)電量的2 4%。但是,美國的海上風(fēng)電發(fā)展較晚,作為美國首座海上風(fēng)電場,美國東北部的鱈魚岬海上風(fēng)電場(cape wind經(jīng)過9年之久,于2010年4月獲得美國政府的批準(zhǔn),該風(fēng)電場總裝機(jī)容量為454MW。近年來,美國也開始重視海上風(fēng)電的發(fā)展,美國海上風(fēng)電的發(fā)展目標(biāo)首先鎖定淺灘,然后發(fā)展至深水;主要采用單機(jī)容量為5MW或更大的風(fēng)機(jī)。目前,皇后區(qū)西北面的長島電力局(long island

8、 pow er authority,LIPA計(jì)劃在長島市南海岸開發(fā)140MW的風(fēng)電場。加拿大的風(fēng)能儲(chǔ)蓄豐富,近年來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。風(fēng)力機(jī)組安裝總量從1994年的19MW發(fā)展至2006年1月的682M W。目前,在British Columbia省的Queen Charlotte島,正在興建一個(gè)Nai Kum海上風(fēng)電項(xiàng)目,該項(xiàng)目是北美海上風(fēng)電項(xiàng)目中最大的一項(xiàng),總?cè)萘窟_(dá)700M W,與德國ABB New Ventures工程開發(fā)公司合作完成。先期階段的10個(gè)風(fēng)電機(jī)已經(jīng)在2005年完成安裝。將近680M W的主體工程在2008年投入運(yùn)行。1 3 亞洲海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀亞洲的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)近年發(fā)展強(qiáng)勁

9、,尤其是印度、中國和日本,在全球風(fēng)電市場上都占有重要的一席。但是亞洲擁有海上風(fēng)電場的國家目前只有中國和日本。日本風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起步晚,發(fā)展相當(dāng)緩慢。目前,日本國內(nèi)僅在北海道瀨棚町等地安裝了14套海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,發(fā)電量1 1萬kW左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐洲200萬kW以上的海上風(fēng)力發(fā)電規(guī)模。2010年6月日本政府綜合海洋政策本部研究制訂的有關(guān)發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電的 海洋可再生能源戰(zhàn)略 方案出臺(tái)。該方案提出,到2020年前,日本將安裝2000套以上直徑為120m的大型海洋風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,其發(fā)電能力相當(dāng)于10座1000萬kW以上的核電站。2 國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀我國海上風(fēng)電起步較晚,2006年開始海上測風(fēng),20

10、08年投資236億元建設(shè)了我國第一座大型海上風(fēng)電項(xiàng)目 上海東海大橋海上風(fēng)電項(xiàng)目,該項(xiàng)目安裝了34臺(tái)國產(chǎn)單機(jī)容量3M W 的離岸型風(fēng)電機(jī)組,總裝機(jī)容量102MW,該項(xiàng)目拉開了中國海上風(fēng)電開發(fā)的帷幕。我國擁有十分豐富的近海風(fēng)資源,有數(shù)據(jù)顯示,我國近海10m水深的風(fēng)能資源約1億kW,近海20m水深的風(fēng)能資源約3億kW,近海30m 水深的風(fēng)能資源約4 9億kW2。此外,由于我8海洋開發(fā)與管理2011年 國東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),能源緊缺,開發(fā)豐富的海上風(fēng)能資源將有效改善能源供應(yīng)情況。開發(fā)海上風(fēng)電已經(jīng)成為我國能源戰(zhàn)略的一個(gè)重要內(nèi)容。我國已建及正在規(guī)劃建設(shè)中的海上風(fēng)電場主要有上海東海大橋近海風(fēng)電場、山東威海

11、風(fēng)電場、浙江岱山近海風(fēng)電場、浙江杭州灣近海風(fēng)電場、江蘇如東和江蘇東臺(tái)風(fēng)電場等(表2。表2 中國部分海上風(fēng)電項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目名稱地理位置裝機(jī)容量/萬kW長島近海風(fēng)電場山東省長島縣150中海油威海山東威海100濱海風(fēng)電場(灘涂山東濰坊180華能榮成海上風(fēng)電項(xiàng)目威海北部灘涂10 2東大橋海上風(fēng)電項(xiàng)目上海市東大橋10奉賢大型海上風(fēng)電場上海市奉賢區(qū)30南匯大型海上風(fēng)電場上海市南匯區(qū)40橫沙大型海上風(fēng)電場上海市崇明區(qū)20普陀六橫近海風(fēng)電場項(xiàng)目岱山縣拷門海塘20慈溪海上風(fēng)電場杭州灣4 95贛榆海上風(fēng)電場江蘇連云港45連云港海上風(fēng)電場江蘇連云港20響水海上風(fēng)電場江蘇鹽城20濱海海上風(fēng)電場江蘇鹽城20射陽海上風(fēng)電場

12、江蘇鹽城20大豐海上風(fēng)電場江蘇鹽城20東臺(tái)海上風(fēng)電場江蘇鹽城20如東海上風(fēng)電場江蘇南通20啟東海上風(fēng)電場江蘇南通20漢沽海上風(fēng)電場天津?yàn)I海新區(qū)20引自:中國風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)-中國證券報(bào)2010年是我國海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的元年。國家能源局局長張國寶在 2010年能源工作總體要求和任務(wù) 中指出我國要繼續(xù)推進(jìn)大型風(fēng)電基地建設(shè),尤其是海上風(fēng)電要開展起來。隨后,國家能源局和國家海洋局聯(lián)合出臺(tái)了 海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法 ,使得政府和企業(yè)在開展海上風(fēng)電規(guī)劃和投資時(shí)開始有章可循。3 海上風(fēng)電場用海中應(yīng)該注意的有關(guān)問題3 1 海上風(fēng)電場選址的可行性3 1 1 海上風(fēng)電場的選址應(yīng)符合海洋功能區(qū)劃的要求由于海上風(fēng)電行

13、業(yè)在我國屬于新興行業(yè),發(fā)展較晚。根據(jù)各省功能區(qū)劃圖,適于建設(shè)海上風(fēng)電場的海域基本上都區(qū)劃為淺海養(yǎng)殖區(qū)和捕撈區(qū)等。由于海上風(fēng)機(jī)的單個(gè)基座面積較小,一般約占用海域面積400m2,海上風(fēng)電場建設(shè)除了在建設(shè)和維修時(shí)對養(yǎng)殖或漁業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生影響外,其他時(shí)期與工程區(qū)域的養(yǎng)殖或漁業(yè)生產(chǎn)功能相兼容。因此,在海上風(fēng)電場選址時(shí),應(yīng)本著與海洋功能區(qū)劃相兼容的原則。3 1 2 海上風(fēng)電場選址區(qū)應(yīng)有良好的外部依托條件海上風(fēng)電場選址區(qū)周邊交通運(yùn)輸應(yīng)該便利,能滿足風(fēng)機(jī)及其配套設(shè)施的運(yùn)輸要求;陸上配套設(shè)施要完善,為了降低能量損耗,要求風(fēng)電場陸上升壓站距離已建的陸上電網(wǎng)接入變電站距離較近。此外,由于國內(nèi)風(fēng)機(jī)安裝大部分采用整體吊裝,

14、要求風(fēng)電場周邊有靠近碼頭并有足夠承載力和工作面的陸上拼裝場地,為海上風(fēng)電場施工提供良好的輔助作用。3 1 3 選址區(qū)域的水文動(dòng)力條件應(yīng)該適宜風(fēng)電場建設(shè)海上風(fēng)機(jī)比陸地風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載大很多。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具有重心高、承受水平力和彎矩較大等受力特點(diǎn),且與海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況、波浪、海流、泥沙及冰荷載等諸多因素有關(guān),因此在海上風(fēng)電場選址時(shí)應(yīng)開展隨機(jī)荷載模型和荷載相關(guān)性研究,確定風(fēng)機(jī)的隨機(jī)荷載組合方法,計(jì)算風(fēng)機(jī)的受力,為風(fēng)機(jī)安裝后的穩(wěn)定性做好技術(shù)支撐。此外,應(yīng)根據(jù)海上風(fēng)電場區(qū)的水動(dòng)力條件,預(yù)測分析風(fēng)機(jī)建成后海底的泥沙沖淤情況,并采取必要的沖刷保護(hù)措施。如,英國的Scr oby Sands風(fēng)力發(fā)電場位于受大型潮

15、汐影響而成的多沙地帶,潮差有3m,潮汐速度可達(dá)1 5m/s。30年來,海床深度改變了8m。巨大海床沉淀第7期周艷榮,等:國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及海域使用中的有關(guān)問題分析9和可達(dá)68m深的沖刷坑使得沖刷保護(hù)顯得非常必要,尤其是它對電纜的保護(hù)3。3 2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選擇的合理性由于海洋中情況復(fù)雜、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選擇要綜合考慮離岸距離、水深條件、風(fēng)浪等級、海流情況和海床地質(zhì)結(jié)構(gòu)等的影響。目前,海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有重力固定式、樁基固定式和筒式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等4-5,不同的結(jié)構(gòu)形式適合不同的自然條件。3 2 1 重力式重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),靠自身重量和壓載物的重量穩(wěn)定坐落在海床上。重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低

16、,抗風(fēng)暴和風(fēng)浪襲擊性能好,其穩(wěn)定性和可靠性是所有基礎(chǔ)中最好的。但是只適用不超過10m的水域,因?yàn)樗杌A(chǔ)重量隨著水深的增加而增加,其經(jīng)濟(jì)性會(huì)下降,造價(jià)反而比其他類型基礎(chǔ)要高。3 2 2 樁基式樁基式結(jié)構(gòu)包括單立柱、單立柱三樁和四腿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)等,一般適用于50m以內(nèi)水深。其中,單立柱基礎(chǔ)在已建成的大部分海上風(fēng)電場應(yīng)用最為廣泛。單立柱基礎(chǔ)樁體可以與塔架直接相連,也可以根據(jù)需要加裝過渡段。但是,這種結(jié)構(gòu)對震動(dòng)和不直度較為敏感,對設(shè)計(jì)和施工要求較高。單立柱三樁結(jié)構(gòu)類似于海上油田常用的簡易平臺(tái),三根樁通過一個(gè)三角形鋼架與中心立柱連接,風(fēng)電機(jī)組塔架連接到立柱上形成一個(gè)結(jié)構(gòu)整體,增加了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。四角導(dǎo)管

17、架基礎(chǔ)采用的是海上油田常用的固定式平臺(tái)結(jié)構(gòu),剛度更大,穩(wěn)定性更好,但成本相對較高。3 2 3 筒式筒式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由一個(gè)中心立柱與鋼質(zhì)圓筒組成,鋼質(zhì)筒由豎直的鋼裙圍成。立柱與圓筒通過帶有加強(qiáng)筋的剪切板相連。圓筒基礎(chǔ)通過負(fù)壓安裝,由于筒內(nèi)泥沙的重力作用,其承載原理與重力式基礎(chǔ)相似,中心立柱載荷通過剪切板分配到筒壁再傳人海床。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)約鋼材用量和海上施工時(shí)間。一般適用于20m以內(nèi)水深。3 24 浮置式為了使海上風(fēng)能利用克服海床底部安裝基礎(chǔ)受水深限制的缺點(diǎn),向幾百米的深水域發(fā)展,國外出現(xiàn)了浮置式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要有兩種方式:一種為漂浮式,由塔架、浮體和錨泊裝置組成,承載風(fēng)電機(jī)組的浮置結(jié)構(gòu)飄

18、浮在水面上;另一種為半潛式,浮體結(jié)構(gòu)位于海面以下,由錨泊系統(tǒng)固定,其上可安裝多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。目前這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)仍處于研究階段。3 3 海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)平面布置的合理性風(fēng)電場通過每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,風(fēng)經(jīng)過風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪后速度下降并產(chǎn)生紊流,沿著下風(fēng)向一定距離后才能消除前一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)速的影響。在布置風(fēng)電機(jī)組時(shí),充分考慮到風(fēng)電機(jī)組之間相互的尾流影響,確定各風(fēng)電機(jī)組的間距,把尾流影響控制在合理范圍內(nèi)。風(fēng)電機(jī)組間距的變大會(huì)使風(fēng)電機(jī)組間的尾流影響降低,但同時(shí)也會(huì)降低對風(fēng)能資源的利用率,增加機(jī)組間電纜的長度,增大電量損耗。海上風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組主要根據(jù)風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)能資源條件和海底地形地質(zhì)條件進(jìn)行布置,主要遵

19、循如下原則。(1首先應(yīng)充分考慮風(fēng)電場所在海域周邊限制條件,如:航道、油氣管道和保護(hù)區(qū)等,在規(guī)劃允許的范圍內(nèi)布置風(fēng)電機(jī)組。(2根據(jù)場區(qū)內(nèi)風(fēng)資源分布特點(diǎn),充分利用風(fēng)電場盛行風(fēng)向進(jìn)行布置,合理選擇風(fēng)電機(jī)組間距。(3布置時(shí),既要盡量避免風(fēng)電機(jī)組之間的尾流影響,又要減小風(fēng)電機(jī)組之間的海纜長度,以降低配套工程投資和場內(nèi)輸變電損耗。(4對不同布置方案,要按整個(gè)風(fēng)電場發(fā)電量最大,兼顧各單機(jī)發(fā)電量的原則進(jìn)行優(yōu)化。(5為了便于施工、維護(hù)和降低工程投資,同一風(fēng)電場內(nèi)的同期工程,盡量選用型號(hào)與單機(jī)容量相同的風(fēng)電機(jī)組。3 4 海上風(fēng)電場運(yùn)行與維護(hù)問題海上風(fēng)電場建成運(yùn)行后需要進(jìn)行維護(hù)工作,現(xiàn)有的海上風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行與維護(hù)主要包括定期維護(hù)(檢察、清潔等、故障維修(某種程度的故障檢修,如手動(dòng)重啟或更換主要部件和備件管理3部分。關(guān)于風(fēng)電機(jī)組的維護(hù),在一個(gè)規(guī)模適中的10海洋開發(fā)與管理2011年陸上風(fēng)電場通常擁有自己的運(yùn)行與維護(hù)中心,對風(fēng)電機(jī)組實(shí)施維護(hù)非常便利。據(jù)GARRAD H ASSAN風(fēng)能咨詢公司統(tǒng)計(jì),通常機(jī)組的長期可利用率可達(dá)97%左右。每年每臺(tái)機(jī)組的平均運(yùn)行和維護(hù)成本約為3萬歐元6。但對于海上風(fēng)電場,尤其到達(dá)深水地區(qū)的機(jī)組進(jìn)行維護(hù)工作就非常不易,運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也非常大。海上風(fēng)電場的可