海上风力发电的发展及前景

1我国首座海上风电场的发展1.1上海东海大桥风电场这是我国首座海上风力发电场——上海东海大桥风电场。该风电场拥有34台我国自主研发的3兆瓦风电机组，于2010年6月正式并网发电。与燃煤电厂相比，该风电场每年可节约8.6万吨标准煤，减轻排放温室效应性气体二氧化碳23.74万吨。图为矗立在海上的东海大桥风电场“大风车”。海上风力发电在国外已有10多年发展历史，在我国则刚刚起步。我国海上风电资源十分丰富，而东部沿海地区又是“用电大户”，就近利用海风发电能避免长距离输电造成的电能损耗。目前，中国是世界上风电资源利用增长最快的国家之一。作为国家发展改革委核准的我国第一个大型海上风电项目，东海大桥风电场对我国可再生能源发展具有示范意义。“示范”不仅体现在选址勘察、总体设计、设备制造上，而且包括运营调试和后期维护过程。整个风电场34台机组全部采用了我国自主研发、目前国内单机功率最大的3兆瓦离岸型风电机组；在建设中，工程技术人员克服重重难关，实现了两个“首创”：——在“大风车”基础部分，采用了世界首创的风机高桩承台基础设计。直至目前，国外海上风电场采用的是单桩和三角架基础设计，而我们的设计和施工人员则先打下8根钢管桩,再在钢管桩的顶部浇注一个混凝土承台，满足了高耸风机承载、抗拔、水平移位的需要。——采用了国内首创的海上风机整体吊装方法。国外通常用带液压支腿的移动平台进行风机分体安装，然而东海近海海域淤泥较深，不适合移动平台作业。建设者借助自主研发的具有海上精确定位和缓冲软着陆功能的吊架系统，成功解决了恶劣自然条件下整体吊装的各种技术难题。*发展海上风力发电的原因；20世纪70年代石油危机以后，开始了风能利用的新时代。在一些地理位置不错的陆地上，风能的开发具有一定的经济价值，而人们在另外一个前沿，发现开发风力发电的经济性也相当不错：海上风能。世界上很多国家开始制定计划，考虑开发海上风电场。海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高。综合上述两个因素，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。兆瓦级的风机，廉价的基础以及关于海上风条件的新知识更加提高了海上风电的经济性。研究人员和开发者们将向传统的发电技术进行挑战，海上风力发电迅速发展成为其它发电技术的竞争对手。【摘要】丹麦在风力发电领发域占有领导地位目前丹麦有世界上最大的海上风电场。根据丹麦政府能源计划法案中的第21条，2030年以前海上风电装机将达到4吉瓦，加上陆地上的1.5吉瓦，丹麦风力发电量将占全国总发电量的50%，与此对照一下，1998年年中，丹麦风电总装机容量仅为1.1吉瓦。1.2风机的海上基础海上风能面临的问题主要是削减投资：海底电缆的使用和风机基础的构建使海上风能开发投资巨大。然而，风机基础技术，以及兆瓦级风机的新研究至少使水深在15米(50英尺)的浅水风场和陆地风场可以一争高下。总的说来，海上风机比邻近陆地风场风机的输出要高出50%，所以，海上风机更具吸引力。1.2.1较混凝土便宜丹丹麦的两个电力集团公司和三个工程公司于1996～1997年间首先开始对海上风机基础的设计和投资进行了研究，在报告中提出，对于较大海上风电场的风机基础，钢结构比混凝土结构更加适合。所有新技术的应用似乎至少在水深15米或更深的深度下才会带来经济效益。无论如何，在较深的水中建风场其边际成本要比先前预算的要少一点。对于1.5兆瓦的风机，其风机基础和并网投资仅比丹麦Vindeby和TunoeKnob海上风电场450～500千瓦风机相应的投资高出10%到20%，这就是以上所述的经济概念。1.2.2设计寿命与大多数人们的认识相反，钢结构腐蚀并不是主要关注的问题。海上石油钻塔的经验表明阴极防腐措施可以有效防止钢结构的腐蚀。海上风机表面保护(涂颜料)一般都采取较陆地风机防腐保护级别高的防护措施。石油钻塔的基础一般能够维持50年，也就是其钢结构基础设计的寿命。1.2.3参考风机在防腐研究中，采用了一台现代的1.5兆瓦三叶片上风向风机，其轮毂高度大约为55米(180英尺)，转子直径为64米(210英尺)。这台风机的轮毂高度相比陆地风机要偏低一些。在德国北部，一台典型的1.5兆瓦风机轮毂高度大约为60～80米(200到260英尺)。由于水面十分光滑，海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，因而风切变(即风速随高度的变化)小，不需要很高的塔架，可降低风电机组成本。另外海上风的湍流强度低，海面与其上面的空气温度差比陆地表面与其上面的空气温差小，又没有复杂地形对气流的影响，作用在风电机组上的疲劳载荷减少，可延长使用寿命，所以使用较低的风塔比较合算。1。2;4上基础类型(1)常用的混凝土基础丹麦的第一个引航工程采用混凝土引力沉箱基础。顾名思义，引力基础主要依靠地球引力使涡轮机保持在垂直的位置。Vindeby和TunoeKnob海上风电场基础就采用了这种传统技术。在这两个风场附近的码头用钢筋混凝土将沉箱基础建起来，然后使其漂到安装位置，并用沙砾装满以获得必要的重量，继而将其沉人海底，这个原理更像传统的桥梁建筑。两个风场的基础呈圆锥形，可以起到拦截海上浮冰的作用。这项工作很有必要，因为在寒冷的冬天，在波罗的海和卡特加特海峡可以一览无遗地看到坚硬的冰块。在混凝土基础技术中，整个基础的投资大约与水深的平方成比例。Vindeby和TunoeKnob的水深变化范围在2.5～7.5米之间，说明每个混凝土基础的平均重量为1050吨。根据这个二次方规则，在水深10米以上的这些混凝土平台，因受其重量和投资的限制，混凝土基础往往被禁止采用。因此，为了突破这种投资障碍，有必要发展新的技术。(2)重力+钢筋基础现在的大多数海上风电场采用重力基础，新技术提供了一种类似于钢筋混凝土重力沉箱的方法。该方法用圆柱钢管取代钢筋混凝土，将其嵌入到海床的扁钢箱里。\(3)单桩基础\\\\\\\\\\单桩是一种简单的结构，由一个直径在3.5米到4.5米之间的钢桩构成。钢桩安装在海床下10米到20米的地方，其深度由海床地面的类型决定。单桩基础有力地将风塔伸到水下及海床内。这种基础一个重要的优点是不需整理海床。但是，它需要重型打桩设备，而且对于海床内有很多大漂石的位置采用这种基础类型不太适合。如果在打桩过程中遇到一块大漂石，一般可能在石头上钻孔，然后用爆破物将之炸开，继而打成小石头。(4)三脚架基础三脚架基础吸取了石油工业中的一些经验，采用了重量轻价格合算的三脚钢套管。风塔下面的钢桩分布着一些钢架，这些框架分掉了塔架对于三个钢桩的压力。由于土壤条件和冰冻负荷，这三个钢桩被埋置于海床下10～20米的地方。三、前景海上风电场的发电成本与经济规模有关，包括海上风电机的单机容量和每个风电场机组的台数。铺设150兆瓦海上风电场用的海底电缆与100兆瓦的差不多，机组的大规模生产和采用钢结构基础可降低成本。目前海上风电场的最佳规模为120～150兆瓦。在海上风电场的总投资中，风电机组占51%、基础16%、电气接入系统19%、其它14%。丹麦电力公司对海上风电场发电成本的研究表明，用IEA(国际能源局)标准方法，目前的技术水平和20年设计寿命，估测的发电成本是每千瓦时0.36丹麦克朗(0.05美元或人民币0.42元)。如果寿命按25年计，还可减少9%。欧洲一些国家都为海上风电场的发展进行了规划。从长远看，荷兰的目标是到2020年风电装机2.75吉瓦，其中1.25吉瓦安装在北海大陆架区域。近期计划主要是建设商业性示范工程，在2005年前丹麦拟开工兴建5个海上风电场，每个规模约150兆瓦，加上其它已建项目累计约750兆瓦。荷兰计划先建100兆瓦的示范项目，选在EgmondannZee岸外12海里处，采用1.5兆瓦或2.0兆瓦的机组。德国的计划包括SKY2000项目，规模100兆瓦，距离Lubeck湾15千米的波罗的海中；400兆瓦项目在距离Helgloand岛17千米的北海，最终规模将达到1.2吉瓦，采用单机容量4兆瓦或5兆瓦机组。此外，爱尔兰和比利时分别有250兆瓦和150兆瓦的海上风电场计划。海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，预示着将成为一个迅速发展的市场，风电设备产业将是一个经济增长点。欧洲海上风电场2010年后将会大规模开发，中国作为发展中国家，应跟踪海上风电技术的发展，因为中国也有丰富的海上风能资源。中国东部沿海水深2-15米的海域面积辽阔，按照与陆上风能资源同样的方法估测，10米高度可利用的风能资源约是陆上的3倍，即700吉瓦，而且距离经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。