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海上风力发电技术和基础设施建设的瓶颈与挑战

供稿人:罗天雨  供稿时间:2016-12-1   关键字:海上风力发电  基础设施  技术  瓶颈  

海上风电是一个名副其实的朝阳产业,其最早起步于1991年,丹麦海岸线附近的第一座海上风电场标志着风电行业的开端。起初岸基风电行业是专为风电市场设计打造的,随着海上风电的崛起及其技术的不断成熟和趋于专业化,市场的重心也因此变动。深水风电的许多技术和产品其实都是从相近产业诸如岸基风电和油气开发等借鉴而来。

根据评估,风电并网以及风电试运行等都是未来海上风电产业发展道路上的巨大瓶颈,同时也是对海上深水风电项目的挑战。而地基建设、通讯和控制系统也将成为重大技术困难。

一、建模和数字模拟工具

新开发的建模和数模工具专门被应用于满足一些特定海上风电轮机技术开发的需求。比如在极端和敌对海域环境的安装和运行。深水风电设计还处于产业发展初期,因此建模工具的开发仍然是当前面临的主要困难之一。

实验性的浮动式结构和完整的原型设备也是通过新型数模工具来检测和模拟浮动式设计理论的必备设施。当前将轮机和地基设施运转条件相结合的建模工具还从未为深水风电设计进行验证。而为了成功完成建模任务,软件需要模拟分析包括停泊系统在内的地基结构的启动和结构运转情况,与此同时,轮机的运转状态也将纳入测试之中。保证模型充分开发也是一项艰难的任务。

此外,用于模拟整体结构的建模和数模工具应该被设计成面向可升级设计的结构,使其能够适应未来更先进的设计理念。所以说它是深水发电走向成功的关键的第一步。

二、专为浮动式平台优化设计的风电机组

风电轮机与深水平台的整合工程将会是一项耗资、耗能巨大的工程项目,也是发展道路上的巨大技术障碍。工作的第一步是将一台未经改造或者优化设计的普通风电轮机安装在浮动结构之上,但是这并不是长久之计。为了提高深水风电设计的经济型,必须通过技术手段对系统结构进行优化。风电轮机也将得到重新设计以适用于浮动结构。如果包括风电轮机和地基在内的完整发电系统都得到优化,深水风电产业的竞争力将大幅提升。而轮机的规模更是重中之重,值得细细考虑。

深水风电设计地基结构的选取与风电轮机的运营状况联系紧密。地基结构的设计也将被轮机的控制方式所限制。此外,浮动式平台结构的动态适应能力将间接影响轮机控制系统的设计思路。这些因素将会相互影响和制约。半潜式和张力腿平台式地基的建设费用更高,但是其结构强度也更高,适合岸上风电设施使用。另一方面,翼梁、浮标的设计必须结合一个成功的响应水平,以此减小对系统空气动力性能的影响。增加主动控制轮机可以使成本降低和提高性能,因为它提高了整个系统的稳定性。必须特别重视充足及适当地发展控制系统,同时也要有稳定结构和提高能源产量,最大限度避免负载和亏损。

三、并网工作

从变电站到岸边浮动式海上风电场的电网连接所面临的挑战,不会比固定设备来得更简单。从岸边到可用电网的连接点的距离是一个潜在瓶颈。然而,就电缆技术而言,电缆的动态部分(无法避免的移动)是一个重要问题,由涡轮机和非固定基底所导致的运动可能会增加负载。在超过水深100米处,铺设阵列布局的电缆也同样是一个技术难题,将阵列电缆铺设在海床上或者浸没于海底50米的深处,都需要更加长的电缆,而这就可能导致电缆移动,关于电缆铺设成本以及移动问题尚需进一步的开发研究。

虽然有关泊定系统需要更多的研究,但深水风电产业已经能够从石油和天然气部门这些已经拥有多年使用经验的行业中获益,增加与石油和天然气行业的合作和知识交流,将使得深海开发得到更快的发展,收获更高的成本效益。

总之,深海设计仍处于初级阶段,预计在未来五至六年可以商业化,但仍然需要新的创新来确保设计的可靠性和商业上的可行性。

至于其它海上风力发电技术同样是必不可少的,需要大量的实验和大型实验场所,如德国的Alpha Ventus项目用以验证新的设计和测试涡轮机组部件,测试地点应该是一个水深超过60米,可以放入大型风力发电机组,将有助于削减成本和提高深海设计的可靠性。

四、安装、运行以及维护

供应链和港口基础设施的需求方面,在常见的基本保障上,建立一个强而有力的供应链仍然是深海部署应当优先考虑的。港口必须考虑到吞吐量的增加和提供充足的空间来容纳安装组件。

作为整个工程的基础,生产浮动式风电设施组件的基础设施将被优先建设。虽然浮动式深水发电设施的产业供应链和港口基础设施和普通海上风电设施相似,但其下属体系在建设、运行和维护过程中是全然不同的。

海上风电产业是一项资本高度集中的技术型产业,其建设费用为其工程耗资的主要支出。但这对深水风电产业又是另一回事,因为它不仅仅是简单地将陆基风电设施拖到水中,整个过程中需要用到各种拖曳用船。而陆基风电产业的交付时间相对深水风电来说受气象条件的影响几乎没有,并且其对海洋条件的依赖可以完全无视。在产业发展过程中,各方需积极采取措施以降低建设耗资以及开发自动安装和港口组装系统。建造和安装系泊系统仍然是整个建设工程中的最大难题。其中,设备的选择对计划造成了很大的影响。在使用寿命其中,锚泊的设计必须保证地基设施的稳定性。在整个施工过程中,使用锚线连接地基和上层建筑的作业将会是最大挑战。由油气田产业嫁接而来的相关技术和大量经验也将大大减少安装和设计工作强度。

对于后勤给养和运营维护工程而言,尽管锚线和系泊装置的检查工作已经占用很大精力与花销,深水风电场所使用的轮机运输工作仍是一个不小的挑战。当然,大部分的机组可以在岸上组装完成然后再运输至风电场所处区域。如遇有损坏事故发生,需要接受修理的机组将会被拖船运至岸上进行维修,这样做的好处是可以避免使用一些诸如自升式驳船在内的耗资昂贵的大型驳船。一些大型风电场也在选址附近设计了一批配备有维修设备和相关工作人员的大规模维护平台。

五、法律框架支持的明确性和稳定性

监管的不确定性是可能会对深水风电发展产生重大不利影响的主要因素之一。尽管当前浮动式风电设计的技术瓶颈仍然存在,但是仍有信心在五到六年之后基本实现商业化进程。欧洲地区也正在加大力度,对深水风电设施的研发进行高额投资,其中包括25个在建项目以及一些已经完成并网的机组。

当然,该产业的发展关键取决于2020年前是否能建成稳定且明晰的监管框架。尽管欧洲海洋机构为这些工程提供了大量的创新和发展机会,但如果没有明确的发展计划也终将一无所获。

欧盟及其成员国的目标不仅仅是完成2020年的既定建设任务,而是要放远眼光,瞄准2030年。完善的监管机制和调控过后的市场将会为产业和金融投资方带来巨大的信心。

六、海洋空间规划

海洋空间规划是市场监管机制的重要一环。日渐增长的海洋空间活动引起了海洋资源使用者的竞争。

而海上风电事业的发展经常受制于来自不同地区和政区的利益团体的相互竞争。这就为该产业的未来带来了很大的不确定性,同时也增加了不同地区产业发展之后的风险,并且将阻碍其发展前景。制定海洋空间规划将会向业界进行积极的暗示以表明其对未来风电产业的信心。

海洋空间规划能够有效增加投资者对投资稳定性和明确性的信心,也能对降低建设费用做出贡献。尽管部分欧洲国家已经拥有自己的专属风电产业建设区,大部分国家仍在制定相关海洋法律以期更好实施建设计划。作为一项发展中的新兴能源产业,海上风电在现阶段经常被排除在正常法律框架之外。工程延期将导致海上风电建设费用的大幅上涨并将最终影响审批和许可程序的执行效率。

在深水海上风电发展道路中,对审批等程序的简化是必不可少的,因为此举可大大降低建设交付时间。此外,相关工程的审批程序必须预留足够空间来考虑深水风电项目的未来扩张趋势。

如果相关国家出台了合理的空间规划并且对风电场的选址选择合适,当地的海洋环境一定会因此受益。例如,在欧洲地区,海上风电设施附近的区域将会严禁使用危害地区鱼群的拖曳式渔网。

此外,海上风电设施的海面及海底地基设施可用作鱼群聚集设施(FAD)。其也可作为人工礁石有利于当地海洋生物的繁殖。

七、技术风险评估

深水风电产业正处于产业发展初期,目前只有在欧洲地区建有两座已经并网的大规模发电设施。来自EWEA旗下的海上风电集团的分析指出,只有深水风电设施的设计水深达到50米以上时,风电产业的建设成本才能达到可以接受的水平。欧洲相关国家进行的研究发现这一理论拥有可靠的依据。尽管相关技术在未来会对产业建设成本的降低起到关键作用,但是大规模商业化道路上仍有巨大的阻碍需要克服。

海上风电工程的投资方可能会对一些尚不成熟的地基结构保留意见,相反他们更加青睐于已经投入使用的设计方案。而电场规模的升级和工程复杂度之间的矛盾始终是一项日渐增长的隐患,因此当前深水风电产业的发展目标就是不断提升其技术可靠性以及降低其商业化进程中的成本。这也有助于降低该产业建设在各大财团严重的风险。公共研发的支持也是海上风电以及深水风电设计发展的关键。研发和创新不仅可以有利于技术的发展,同时对技术的验证也会提供很大的帮助,对各大公司进行技术商业化转型工作也很有建树。此举也将在真实环境中降低运营技术风险。耗资巨大、技术风险极高的技术验证在接受财政评估时通过的概率极低,因此需要得到欧盟和相关国家的财政支持。由欧盟、欧洲银行和相关成员国主导的NER300财政援助项目就是一个很好的例子,其为深水设计技术的发展和产业商业化的推进做出了巨大的贡献。项目初期预计拨款6400万欧元用于技术验证所需支出。

八、行业标准与合作

作为一项新兴产业,深水海上风电站其实没有严格的行业标准以适应深水风电平台的设计理念。其标准主要由相近的海上油气田技术嫁接而来。当然,这样也会在包括费用和安全性上造成额外负担,此外,综合建设费用也会大幅度增加。新标准主要要求契合浮动式设计结构以加快商业化成熟度。当前,产业标准的制定工作主要由Det Norske Veritas(DNV),国际电气协会(IEC)和美国船舶局(ABS)等带头制定。

另外,不同领域承包商,尤其是承担设计工作的公司间必须通力合作,建立可靠、创新的市场合作机制。

规模较大的承包企业则要求高度合作,达到交流经验、相互学习和数据共享的目的,这样的模式也会为投资方带来更多红利。

EWI项目与其网络和研发机构TP Wind的合作为世界风电产业向深水领域的发展提供了关键性的平台。但是持续且充足的资金保障是必不可少的条件之一。海上油气田的相关技术也因相似度高而在国家层面上被嫁接至海上浮动设计。上述合作将由欧洲工业发展战略指导,欧盟旗下的DG企业牵头。该战略将会以全面远瞻的视角探索欧洲深水风电的发展需求,并将上升到国家乃至地区层面。当前工作的主要任务是:技术创新,升级供应链,培训技术以及寻求财政支援。这些任务将着重解决减免费用、集成技术、以及深水风电产业发展中可能会遇到的技术经济以及政治问题。

总而言之,海上风电仍然是一个新兴产业,许许多多的障碍需要通过经济和政治手段来解决大规模部署问题,尤其对深水浮动设计而言。如果2030年可持续能源的发展目标能够实现,那么届时欧洲风电将会从研发真正走向部署。

九、建议

政策建议:

 • 2020年前构建明确、稳定的法律框架,以支持2030年深水风电产业发展的预定目标。

 • 制定欧洲海上风力发电产业联合发展战略,着力于深水风电从研究到部署的转型。

 • 降低生产许可和执照申请的要求,以降低产业部署时间,不断提高申请企业的自身能力,以满足日后深水风电企业的增长需求。

 • 大力增加对该产业研发工作的公共支持力度,保持欧洲深水技术在同行业中的领先地位

 • 鼓励同行业间企业或竞争对手组建商业联盟,推动行业间信息、技术与经验的交流至关重要。

 • 提供充足资金,支持欧洲风能计划(EWI)及其网络与研发论坛TP Wind深入落实上述建议。

 • 制定新的行业标准以促进商业成熟化。

 • 对存在风险的深水海上项目提供财政支持。

经济建议:

 • 相关港口及设施必须提供足够的空间,以方便轮机安装船的停靠与零部件的存放。

 • 研发新型自组建系统,以将耗资将至最低。

 • 设计相关训练课程,以训练和储备技术人员。

技术建议:

 • 开发新型的建模工具和数模编码,用以模拟建筑结构的状态并协助设计工作。

 • 优化风电轮机的设计和尺寸,与浮动支撑结构相匹配。

 • 研发新型、满足规模的专用控制系统。

 • 加大新型抛锚和驳船系统的开发力度,吸取诸如石油及天然气等相邻产业的开发经验。

 • 开展新技术及工具的开发,用以评估风电场附近风力和水文等自然环境的条件。

 • 通过建造浮动验证平台的方式,设置4到5台风电轮机取代原有单台原型机,深入研究潮汐和海浪对浮动平台的影响。

 • 采取大小规模结合的广泛分布方式,完成风电设施的建设,以提升设施的可靠性以及价格的市场竞争性。

 

参考资料:

http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/reports/Deep_Water.pdf


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