海上風(fēng)力發(fā)電概況.doc

國際海上風(fēng)電發(fā)展概況姚興佳，王超，邢作霞（沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所，沈陽110023）摘 要：綠色能源的未來在于大型風(fēng)力發(fā)電場，而大型風(fēng)電場的未來在海上。本文簡要敘述了全球海上風(fēng)力發(fā)電的近況和一些主要國家的發(fā)展計劃，并介紹了海上風(fēng)電場的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和吊裝方法。關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；風(fēng)力發(fā)電機組；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；吊裝方法Abstract: Offshore is the future of large wind power plants, and large wind power plants are the future of green energy production. This paper comprehensively summarized the technology development and utilization status of offshore wind power in the whole world, and the planning of further developing offshore wind energy of main countries are presented, and summarized some experience in installation and support structure of offshore wind farm.Keywords: offshore wind power, wind turbines, support structure, installation 中圖分類號：TK8 文獻標識碼：A1. 引言風(fēng)力發(fā)電是近年來世界各國普遍關(guān)注的可再生能源開發(fā)項目之一，發(fā)展速度非常快。19972004年，全球風(fēng)電裝機容量平均增長率達26.1%。目前全球風(fēng)電裝機容量已經(jīng)達到5000萬千瓦左右，相當(dāng)于47座標準核電站1 麥卡特. 中國發(fā)展風(fēng)力發(fā)電大有可為. 第一情報-風(fēng)力發(fā)電，2005，（2）：1。隨著風(fēng)電技術(shù)逐漸由陸上延伸到海上，海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界可再生能源發(fā)展領(lǐng)域的焦點。2. 海上風(fēng)能的利用特點海上風(fēng)況優(yōu)于陸地，風(fēng)流過粗糙的地表或障礙物時，風(fēng)速的大小和方向都會變化，而海面粗糙度小，離岸10km的海上風(fēng)速通常比沿岸陸上高約25%2 The British Wind Energy Association (BWEA). Prospects for offshore wind energy, a report written for the EU (Altener contract XV/4.1030/Z/98-395) A. Enterperle Nuove Tecnologie, 1 Energia el Ambiente ENEA (Rome). OWEMES 2000 Proceedings C. Rome: ENEA, 2000, 327-359；海上風(fēng)湍流強度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，機組承受的疲勞負荷較低，使得風(fēng)機壽命更長；風(fēng)切變小，因而塔架可以較短；在海上開發(fā)利用風(fēng)能，受噪聲、景觀影響、鳥類影響、電磁波干擾等問題的限制較少；海上風(fēng)電場不占陸上土地，不涉及土地征用等問題，對于人口比較集中，陸地面積相對較小、瀕臨海洋的國家或地區(qū)較適合發(fā)展海上風(fēng)電海上風(fēng)能的開發(fā)利用不會造成大氣污染和產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，可減少溫室效應(yīng)氣體的排放，環(huán)保價值可觀。3. 海上風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電機組的技術(shù)發(fā)展分4個階段：(1) 第一個發(fā)展階段500600kW級樣機研制早在上世紀70年代初，一些歐洲國家就提出了利用海上風(fēng)能發(fā)電的想法， 到19911997年，丹麥、荷蘭和瑞典才完成了樣機的試制，通過對樣機進行的試驗，首次獲得了海上風(fēng)力發(fā)電機組的工作經(jīng)驗。但從經(jīng)濟觀點來看，500600kW級的風(fēng)力發(fā)電機組和項目規(guī)模都顯得太小了。因此，丹麥、荷蘭等歐洲國家隨之開展了新的研究和發(fā)展計劃。有關(guān)部門也開始重新以嚴肅的態(tài)度對待海上風(fēng)電場的建設(shè)工作。(2) 第二個發(fā)展階段第一代MW級海上商業(yè)用風(fēng)力發(fā)電機組的開發(fā)2002年，5 個新的海上風(fēng)電場的建設(shè)，功率為1.52MW的風(fēng)力發(fā)電機組向公共電網(wǎng)輸送電力，開始了海上風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)展的新階段。在20022003年，按照第一次大規(guī)模風(fēng)電場建設(shè)計劃，將有160MW總裝機功率的海上風(fēng)力發(fā)電機組投入使用。這些轉(zhuǎn)子直徑在80m 以上的第一代商業(yè)用海上風(fēng)力發(fā)電機組，是為適應(yīng)在海上使用的要求在陸地風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)上多次改型的。例如，配備了可進行就地維修的船用工具，使電站機器間具備防腐蝕和耐氣候變化功能等。(3) 第三個發(fā)展階段第二代數(shù)MW級陸地和海上風(fēng)力發(fā)電機組的應(yīng)用MW級風(fēng)力發(fā)電機組的應(yīng)用，體現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組向大型化發(fā)展的方向，這種趨勢在德國市場上表現(xiàn)得尤為明顯。新一代渦輪機的功率達35MW，風(fēng)輪直徑達90115m，目前它們正處于研制和試驗階段。第一臺在陸地上使用的樣機于2002年試制成功，這種風(fēng)力發(fā)電機組可以進一步發(fā)展為分別在陸地和海上使用的3 種型式的產(chǎn)品。由于在產(chǎn)品設(shè)計階段就預(yù)先考慮到了在海上使用的特殊要求，這一代風(fēng)力發(fā)電機組的質(zhì)量達到了新的水平。由GE風(fēng)能公司開發(fā)的3.6MW海上風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪直徑為100m。在上述產(chǎn)品基礎(chǔ)上，GE風(fēng)能公司還生產(chǎn)一種3.2MW的在陸地使用的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品，其風(fēng)輪直徑為104m。開發(fā)這些新產(chǎn)品時，在保證其較高的可靠性方面、在沒有大型水上起重機條件下保證大型零部件的可更換性方面和在保證達到較長免維修期等方面，吸取了第一代海上風(fēng)力發(fā)電機組的安裝經(jīng)驗。2002年10月初，適合陸地使用的樣機在西班牙投入運行?，F(xiàn)在一些生產(chǎn)廠家試圖由MW級的風(fēng)力發(fā)電裝備直接向5MW級跳躍，或是先經(jīng)過3MW級的過渡，究竟哪種路線在經(jīng)濟上切實可行或者是更有意義，要經(jīng)過一段時間來證明。(4) 第四個發(fā)展階段第三代數(shù)MW級風(fēng)力發(fā)電機組的開發(fā)利用這一代商業(yè)用海上風(fēng)力發(fā)電機組的功率大于5MW，風(fēng)輪直徑約120m，這種風(fēng)力發(fā)電機組只適于在海上使用。目前，已經(jīng)具備海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備商業(yè)生產(chǎn)能力的廠家，主要有Vestas（丹麥）、Bonus（丹麥）、NEG-Micon（丹麥）、GE Wind Energy （美國）、Nordex（德國）、Enercon（德國）、REpower（德國）3 李曉燕，余志. 海上風(fēng)力發(fā)電進展. 太陽能學(xué)報，2004，25（1）：78-844 Booming German wind power seen shifting offshore. March 15, 2002. /dailynewsstory.cfm/newsid/15026/story.htm5 GAMESA doubles investments in R&D in the last three years. http:/www.gamesa.es/gamesa/index,html6 Power of the wind blows away mythsNew report confirms UK has best wind in Europe. 14th November 2005. /media/news/141105.html7 Offshore USA. Refocus, September/ October 2005. p34-35.8 Status and prospect of wind power generation in Canada. Wind engineering, Volume 29, No.3. p253-270.9 Offshore Future: Projects Stack Up in Europes Seas. /fileadmin/ewea_documents/documents/publications/WD/WD200309_lead_article.pdf。單機額定功率覆蓋范圍從2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW、到5MW。葉輪直徑從80m、85.4m、100m、110m、114m、116m到126 m（詳見表3）。風(fēng)力發(fā)電機大型化，巨型化的趨勢已十分明顯。表3 海上風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)參數(shù)Table3 Technical data of some offshore wind turbine生產(chǎn)商（國家）風(fēng)電機組型號額定功率/MW葉輪直徑/m葉輪轉(zhuǎn)速/rpm葉片數(shù)功率調(diào)節(jié)Vestas（丹麥）V90-2.0MW Offshore2.080可變速9-193變槳距調(diào)節(jié)Bonus（丹麥）Bonus 3.6MW3.6107可變速5-133變槳距調(diào)節(jié)NEG-Micon（丹麥）NEG-Micon 722.072同步轉(zhuǎn)速12/183主動失速調(diào)節(jié)GE Wind Energy（美國）GE 3.6MW3.6104可變速8.5-15.33變槳距調(diào)節(jié)Nordex（德國）N80-2.5MW Offshore2.580可變速10.9-19.13變槳距調(diào)節(jié)Enercon（德國）E-1124.5114可變速8-133變槳距調(diào)節(jié)REpower（德國）REpower 5M5.0126可變速6.9-12.13電動變槳距調(diào)節(jié)4. 海上風(fēng)電場截至2005年末，全球已建成的海上風(fēng)電場共有19座10 Eize de Vries. No longer paddling, Offshore wind developments 2005-2006. REW Wind Power，02 September 2005，http:/www.earthscan.co.uk/news/article/mps/uan/485/v/3/sp/（2004年末為17座，2005年新建2座），分別位于丹麥、英國、愛爾蘭、瑞典、荷蘭等五國（詳見表1，2），總裝機容量已達769.9MW11 Alasdair Cameron. Offshore account. REW Wind Power，02 September 2005，http:/www.earthscan.co.uk/news/article/mps/UAN/487/v/3/sp/（2004年末為589.9MW，2005年新建180MW）。其中丹麥的Nysted海上風(fēng)電場（165.6MW）和Horns Rev海上風(fēng)電場（160MW）是迄今為止總裝機容量最大的兩座海上風(fēng)電場。2005年，完成建設(shè)的海上風(fēng)電場有兩座，全部在英國（Kentish Flat和Barrow），總裝機容量為180MW。表1 世界海上風(fēng)電市場前五位Table1 Top five offshore wind power markets國家總裝機容量（截至2005年末）/MW丹麥398.6英國304愛爾蘭25.2瑞典23.3荷蘭18.8總計769.9表2 已建成的海上風(fēng)電場Table2 Offshore wind farm already built地點國家建成年份風(fēng)電機組數(shù)量（臺）風(fēng)電機組型號總裝機容量Vindeby丹麥199111Bonus 35/450kW4.95MWTunKnob丹麥199510Vestas V39/500kW5.0MWMiddelgrunden丹麥200020Bonus 76/2MW40.0MWHoms Rev丹麥200280Vestas V80/2MW160.0MWSams丹麥200210Bonus 82/2.3MW23.0MWFredrickshavn丹麥20032Vestas V90/3MW10.6MW1Bonus 82/2.3MW1Nordex N90/2.3MWNysted丹麥200372Bonus 82/2.3MW165.6MWWilhelmshaven德國20041Enercon E112/4.5MW4.5MWArklow Bank愛爾蘭20037GE Wind 3.6/3.6MW 25.2MWLely荷蘭19944Nedwind 40/500kW2.0MWDronten荷蘭199628Nordtank 43/600kW16.8MWBockstigen瑞典19975Wind World 37/550kW2.75MWUtgrundon瑞典20007Enron Wind 70/1.5MW10.5MWYttreStengrund瑞典20015NEG-Micon 72/2MW10.0MWBlyth英國20002Vestas V664.0MWNorth Hoyle英國200330Vestas V8060.0MWScroby Sands英國200430Vestas V8060.0MWKentish Flat英國200530Vestas V9090.0MWBarrow英國200530Vestas V9090.0MW5. 海上風(fēng)電場的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機組安裝和維護的成本是阻礙海上風(fēng)電事業(yè)的一個潛在的主要因素。對于陸上風(fēng)電場，這一成本僅占總成本的1/4，而海上風(fēng)電場增至3/4。要解決這一難題，就必須在設(shè)計階段通過提高機組的可靠性，易安裝和易操作性來降低相應(yīng)的成本。其中一個關(guān)鍵的部分就是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的成本。目前較為常用的方案是單樁固定式（Monopiles），同時還有其他幾種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)也在研究當(dāng)中。單樁固定式單樁固定式基礎(chǔ)現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為風(fēng)電機組安裝的一種標準方案，并已經(jīng)在許多大型海上風(fēng)電場中采用，如Horns Rev、Sams Sams、Utgrunden、Arklow Bank、Scroby Sands和 Kentish Flats。這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尤其適用于2025m的中淺水域，目前通常采用的直徑為4m，未來可能將達到56m。此方案的最大的優(yōu)點在于它的簡易性利用打樁、鉆孔或噴沖的方法將樁基安裝在海底泥面以下一定的深度，通過調(diào)整片或護套來補償打樁過程中的微小傾斜以保證基礎(chǔ)的平正。而它的弊端在于海床較為堅硬時，鉆孔的成本較高。三腿或多腿固定式此方案適用于水深超過30m的條件。較單樁固定式更為堅固和多用，但其成本較高，移動性也不好。與單樁固定式一樣，不適宜較軟的海床。混凝土重力固定式這是海上風(fēng)電場采用的第一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它主要是靠體積龐大的混凝土塊的重力來固定風(fēng)機的位置。這種方案使用方便，而且適用于各種海床土質(zhì)，但是由于它重量大，搬運的費用較高。鋼制重力固定式與混凝土重力固定式一樣，它也是靠自身重力固定風(fēng)機位置的，但鋼制的重量僅有80110噸，從而使安裝和運輸更為簡單。當(dāng)把鋼制基座固定之后，向其內(nèi)部填充重礦石以增加重量（一般為1000噸左右）。雖然此方案也適用于所有海床土質(zhì)，但其抗腐蝕性較差，需要長期保護。桶式基礎(chǔ)這種基礎(chǔ)是將其放置在海床上之后，抽空內(nèi)部的海水，靠周圍海水所產(chǎn)生壓力將其固定在海床上。此種基礎(chǔ)大大節(jié)省了鋼材用量和海上施工時間，降低了生產(chǎn)、運輸和安裝成本，同時拆除基礎(chǔ)也很方便。浮置式浮置式基礎(chǔ)適用于50100m的水深，其成本較低，而且能夠擴展現(xiàn)有海上風(fēng)電場的范圍。但是，由于其不穩(wěn)定，意味著僅能應(yīng)用于海浪較低的情況。此外，齒輪箱和發(fā)電機這些旋轉(zhuǎn)機械長期工作在加速度較大的環(huán)境下，從而潛在的增大了風(fēng)險并降低了使用壽命。6. 海上風(fēng)電場吊裝方法離岸風(fēng)機的安裝相對于岸上安裝難度頗高，可通過千斤頂駁船或者浮吊船完成。其中的選擇取決于海水深度、起吊機的能力和駁船的載重量。起吊機應(yīng)具備提升風(fēng)機主要部件（塔架、機艙、葉輪等）的能力，其吊鉤提升高度應(yīng)大于機艙的尺寸，確保塔架和風(fēng)機裝配件的安裝。現(xiàn)有的浮吊船大多不是特意為海上風(fēng)電場的風(fēng)機安裝而設(shè)計制造的。對于大型海上風(fēng)電場（機組超過50臺），通過使用安裝駁船來控制建設(shè)周期（即控制成本），完成建設(shè)任務(wù)。千斤頂安裝（Jack-up Installation）以千斤頂?shù)跹b塔架、機艙和葉輪是最先出現(xiàn)的海上風(fēng)電場吊裝方法。千斤頂可為安裝工作提供一個穩(wěn)定的基座，因此它也是打樁工程的首選。然而，其缺乏內(nèi)在穩(wěn)定性和機動性使塔架的安裝較為困難。半沉式安裝（Semi Submersible Installation）對于執(zhí)行海上建設(shè)工作，半沉式起吊船是漂浮平臺中最穩(wěn)定的一種?，F(xiàn)有的駁船設(shè)計僅適用于較遠的海上作業(yè)，而在淺灘地區(qū)較難發(fā)揮作用。載運船，平底駁船，地面起吊機（Ship Shaped Vessel， Flat Bottom Barges and Land Based Cranes）載運船和平底駁船在建設(shè)作業(yè)中的穩(wěn)定性不夠理想，較易受天氣狀況的影響。而地面起吊機，只要天氣良好，便可顯示出其旋轉(zhuǎn)起吊機和費用低廉這來兩項優(yōu)勢。漂浮式安裝（Float-Over Installation）所謂漂浮式安裝，就是先將塔架在碼頭上垂直吊起，再將其下放至待安裝的模擬樁基上，用釘子固定，然后垂直安置于駁船上準備運送。等到漲潮時，排放壓艙水使塔架與模擬樁基分開，一旦達到安全水深，駁船即引入壓艙水作牽引之用，到達安裝現(xiàn)場后，駁船再次排放壓艙水，安全固定于海上風(fēng)電場的樁基上。然后再次引入壓艙水使駁船下沉，在樁基上調(diào)轉(zhuǎn)塔架的支撐件，最后撤出駁船完成海上安裝工作。7. 各國海上風(fēng)電發(fā)展計劃7.1. 德國在海上風(fēng)電場的建設(shè)方面，德國的規(guī)劃可謂氣勢宏偉，累計安裝容量排名第一。根據(jù)德國政府2002年公布的戰(zhàn)略綱要，2006年安裝的海上風(fēng)機容量至少在500MW，2010年安裝量將增至3000MW，2030年的長期目標中，包括德國海岸地區(qū)、專屬經(jīng)濟區(qū)（EEZ）和國土外圍12英里范圍內(nèi)安裝容量將達到25000MW，產(chǎn)生7085TWh的電力，達到1998年電力需求的15%6。由于缺乏合適的場地，德國陸上風(fēng)電場的興建工作將在今后十多年中減緩，從而轉(zhuǎn)向海上風(fēng)電場的建設(shè)。目前已經(jīng)在12英里開外的深水地區(qū)，以及近海地區(qū)都建造了海上風(fēng)電場，如Borkum和Butendiek風(fēng)電場。2005年12月，德國通過了一項400MW的海上風(fēng)電項目，該項目位于北海，是德國迄今通過的第十個海上風(fēng)電項目。7.2. 丹麥作為全球風(fēng)電行業(yè)的先驅(qū)和領(lǐng)袖，丹麥擁有全球市場份額逾1/3的風(fēng)機制造商Vestas，其2003年風(fēng)力發(fā)電量占全國總發(fā)電量的18%。2003年末，160MW的Nysted大型海上風(fēng)電場首期工程宣告竣工，同時Horns Rev海上風(fēng)電場擴張工程也已經(jīng)排上日程，此外還有3座大型海上風(fēng)電場（Ls、Om Stalgrunde和Gedser Rev）仍在建設(shè)當(dāng)中。預(yù)計到2030年，風(fēng)力發(fā)電量將占該國總發(fā)電量的50%。7.3. 西班牙作為西班牙乃至全球知名風(fēng)機制造商，GAMESA公司十分注重技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新：從2002年到2004年，該公司用于研發(fā)活動的投資呈逐年上升的趨勢，到2004年該投資占銷售總收入的3.4%。GAMESA公司已經(jīng)在Navarra、Basque、Madrid、Andalusia、Cantabria等地成立了數(shù)家研發(fā)中心，其投資戰(zhàn)略已獲得歐洲投資銀行（EIB）專家的充分肯定。正是擁有了GAMESA、MADE等一批較有實力的風(fēng)電機組制造企業(yè)，才使西班牙在2004年的新裝機容量躍居全球首位。預(yù)計西班牙風(fēng)電將以平均每年1600MW的增長速度迅速發(fā)展，到2007年將達到13043MW7。7.4. 英國在英國，North Hoyle和Scroby Sands這兩座總裝機容量為60MW大型海上風(fēng)電場均已投入使用，而在2005年剛剛完成建設(shè)的Kentish Flats和Barrow海上風(fēng)電場也是2005年全球唯一完成建設(shè)的海上風(fēng)電場，這使英國的海上風(fēng)電裝機容量大幅度提升。此外至少還有9個項目已經(jīng)通過審批，這也意味著英國成為目前全世界最積極的海上風(fēng)電市場8。7.5. 美國美國海上風(fēng)電的發(fā)展目標首先鎖定在淺灘，然后再發(fā)展至深水區(qū)域，其主要采用單機容量為5MW以上的風(fēng)機。目前正在研制深水技術(shù)，在技術(shù)