海上风力发电概况.doc

国际海上风电发展概况
姚兴佳，王超，邢作霞
（沈阳工业大学风能技术研究所，沈阳110023）
摘 要：绿色能源的未来在于大型风力发电场，而大型风电场的未来在海上。本文简要叙述了全球海上风力发电的近况和一些主要国家的发展计划，并介绍了海上风电场的基础结构和吊装方法。
关键词：海上风电；风力发电机组；基础结构；吊装方法
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
中图分类号：TK8 文献标识码：A

1. 引言
风力发电是近年来世界各国普遍关注的可再生能源开发项目之一，发展速度非常快。1997~2004年，全球风电装机容量平均增长率达26.1%。目前全球风电装机容量已经达到5000万千瓦左右，相当于47座标准核电站[[1] 麦卡特. 中国发展风力发电大有可为. 第一情报-风力发电，2005，（2）：1
]。随着风电技术逐渐由陆上延伸到海上，海上风力发电已经成为世界可再生能源发展领域的焦点。
2. 海上风能的利用特点
海上风况优于陆地，风流过粗糙的地表或障碍物时，风速的大小和方向都会变化，而海面粗糙度小，离岸10km的海上风速通常比沿岸陆上高约25%[[2] The British Wind Energy Association (BWEA). Prospects for offshore wind energy, a report written for the EU (Altener contract XVⅡ/4.1030/Z/98-395) [A]. Enterperle Nuove Tecnologie, 1’ Energia el’ Ambiente ENEA (Rome). OWEMES 2000 Proceedings [C]. Rome: ENEA, 2000, 327-359
]；海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向，机组承受的疲劳负荷较低，使得风机寿命更长；风切变小，因而塔架可以较短；在海上开发利用风能，受噪声、景观影响、鸟类影响、电磁波干扰等问题的限制较少；海上风电场不占陆上土地，不涉及土地征用等问题，对于人口比较集中，陆地面积相对较小、濒临海洋的国家或地区较适合发展海上风电海上风能的开发利用不会造成大气污染和产生任何有害物质，可减少温室效应气体的排放，环保价值可观。
3. 海上风力发电机组的发展
海上风力发电机组的技术发展分4个阶段：
(1) 第一个发展阶段——500~600kW级样机研制
早在上世纪70年代初，一些欧洲国家就提出了利用海上风能发电的想法， 到1991~1997
年，丹麦、荷兰和瑞典才完成了样机的试制，通过对样机进行的试验，首次获得了海上风力发电机组的工作经验。但从经济观点来看，500~600kW级的风力发电机组和项目规模都显得太小了。因此，丹麦、荷兰等欧洲国家随之开展了新的研究和发展计划。有关部门也开始重新以严肃的态度对待海上风电场的建设工作。
(2) 第二个发展阶段——第一代MW级海上商业用风力发电机组的开发
2002年，5 个新的海上风电场的建设，功率为1.5~2MW的风力发电机组向公共电网输送电力，开始了海上风力发电机组发展的新阶段。在2002~2003年，按照第一次大规模风电场建设计划，将有160MW总装机功率的海上风力发电机组投入使用。这些转子直径在80m 以上的第一代商业用海上风力发电机组，是为适应在海上使用的要求在陆地风力发电机组基础上多次改型的。例如，配备了可进行就地维修的船用工具，使电站机器间具备防腐蚀和耐气候变化功能等。
(3) 第三个发展阶段——第二代数MW级陆地和海上风力发电机组的应用
MW级风力发电机组的应用，体现了风力发电机组向大型化发展的方向，这种趋势在德国市场上表现得尤为明显。新一代涡轮机的功率达3~5MW，风轮直径达90~115m，目前它们正处于研制和试验阶段。第一台在陆地上使用的样机于2002年试制成功，这种风力发电机组可以进一步发展为分别在陆地和海上使用的3 种型式的产品。由于在产品设计阶段就预先考虑到了在海上使用的特殊要求，这一代风力发电机组的质量达到了新的水平。由GE风能公司开发的3.6MW海上风力发电机组的风轮直径为100m。在上述产品基础上，GE风能公司还生产一种3.2MW的在陆地使用的风力发电产品，其风轮直径为104m。开发这些新产品时，在保证其较高的可靠性方面、在没有大型水上起重机条件下保证大型零部件的可更换性方面和在保证达到较长免维修期等方面，吸取了第一代海上风力发电机组的安装经验。2002年10月初，适合陆地使用的样机在西班牙投入运行。现在一些生产厂家试图由MW级的风力发电装备直接向5MW级跳跃，或是先经过3MW级的过渡，究竟哪种路线在经济上切实可行或者是更有意义，要经过一段时间来证明。
(4) 第四个发展阶段——第三代数MW级风力发电机组的开发利用
这一代商业用海上风力发电机组的功率大于5MW，风轮直径约120m，这种风力发电机组只适于在海上使用。
目前，已经具备海上风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有Vestas（丹麦）、Bonus（丹麦）、NEG-Micon（丹麦）、GE Wind Energy （美国）、Nordex（德国）、Enercon（德国）、REpower（德国）[[3] 李晓燕，余志. 海上风力发电进展. 太阳能学报，2004，25（1）：78-84
[4] Booming German wind power seen shifting offshore. March 15, 2002. http://www.planetark.org/dailynewsstory.cfm/newsid/15026/story.htm
[5] GAMESA doubles investments in R&D in the last three years. http://www.gamesa.es/gamesa/index,html
[6] Power of the wind blows away myths—New report confirms UK has best wind in Europe. 14th November 2005.
[7] 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 Europe’s Seas. http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/WD/WD200309_lead_article.pdf
]。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW、到5MW。叶轮直径从80m、85.4m、100m、110m、114m、116m到126 m（详见表3）。风力发电机大型化，巨型化的趋势已十分明显。
表3 海上风力发电机技术参数
Table3 Technical data of some offshore wind turbine
生产商
（国家）
风电机组型号
额定功率/MW
叶轮直径/m
叶轮转速/rpm
叶片数
功率调节
Vestas
（丹麦）
V90-2.0MW Offshore
2.0
80
可变速
9-19
3
变桨距调节
Bonus
（丹麦）
Bonus 3.6MW
3.6
107
可变速
5-13
3
变桨距调节
NEG-Micon
（丹麦）
NEG-Micon 72
2.0
72
同步转速12/18
3
主动失速调节
GE Wind Energy
（美国）
GE 3.6MW
3.6
104
可变速8.5-15.3
3
变桨距调节
Nordex
（德国）
N80-2.5MW Offshore
2.5
80
可变速10.9-19.1
3
变桨距调节
Enercon
（德国）
E-112
4.5
114
可变速
8-13
3
变桨距调节
REpower
（德国）
REpower 5M
5.0
126
可变速6.9-12.1
3
电动变桨距调节
4. 海上风电场
截至2005年末，全球已建成的海上风电场共有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年末为17座，2005年新建2座），分别位于丹麦、英国、爱尔兰、瑞典、荷兰等五国（详见表1，2），总装机容量已达769.9MW[[11] Alasdair Cameron. Offshore account. REW Wind Power，02 September 2005，http://www.earthscan.co.uk/news/article/mps/UAN/487/v/3/sp/
]（2004年末为589.9MW，2005年新建180MW）。其中丹麦的Nysted海上风电场（165.6MW）和Horns Rev海上风电场（160MW）是迄今为止总装机容量最大的两座海上风电场。2005年，完成建设的海上风电场有两座，全部在英国（Kentish Flat和Barrow），总装机容量为180MW。
表1 世界海上风电市场前五位
Table1 Top five offshore wind power markets
国家
总装机容量（截至2005年末）/MW
丹麦
398.6
英国
304
爱尔兰
25.2
瑞典
23.3
荷兰
18.8
总计
769.9

表2 已建成的海上风电场
Table2 Offshore wind farm already built
地点
国家
建成年份
风电机组数量（台）
风电机组型号
总装机容量
Vindeby
丹麦
1991
11
Bonus 35/450kW
4.95MW
TunøKnob
丹麦
1995
10
Vestas V39/500kW
5.0MW
Middelgrunden
丹麦
2000
20
Bonus 76/2MW
40.0MW
Homs Rev
丹麦
2002
80
Vestas V80/2MW
160.0MW
Samsø
丹麦
2002
10
Bonus 82/2.3MW
23.0MW
Fredrickshavn
丹麦
2003
2
Vestas V90/3MW
10.6MW
1
Bonus 82/2.3MW
1
Nordex N90/2.3MW
Nysted
丹麦
2003
72
Bonus 82/2.3MW
165.6MW
Wilhelmshaven
德国
2004
1
Enercon E112/4.5MW
4.5MW
Arklow Bank
爱尔兰
2003
7
GE Wind 3.6/3.6MW
25.2MW
Lely
荷兰
1994
4
Nedwind 40/500kW
2.0MW
Dronten
荷兰
1996
28
Nordtank 43/600kW
16.8MW
Bockstigen
瑞典
1997
5
Wind World 37/550kW
2.75MW
Utgrundon
瑞典
2000
7
Enron Wind 70/1.5MW
10.5MW
YttreStengrund
瑞典
2001
5
NEG-Micon 72/2MW
10.0MW
Blyth
英国
2000
2
Vestas V66
4.0MW
North Hoyle
英国
2003
30
Vestas V80
60.0MW
Scroby Sands
英国
2004
30
Vestas V80
60.0MW
Kentish Flat
英国
2005
30
Vestas V90
90.0MW
Barrow
英国
2005
30
Vestas V90
90.0MW
5. 海上风电场的基础结构
风力发电机组安装和维护的成本是阻碍海上风电事业的一个潜在的主要因素。对于陆上风电场，这一成本仅占总成本的1/4，而海上风电场增至3/4。要解决这一难题，就必须在设计阶段通过提高机组的可靠性，易安装和易操作性来降低相应的成本。其中一个关键的部分就是基础结构的成本。目前较为常用的方案是单桩固定式（Monopiles），同时还有其他几种基础结构也在研究当中。
单桩固定式
单桩固定式基础现在已经逐渐成为风电机组安装的一种标准方案，并已经在许多大型海上风电场中采用，如Horns Rev、Sams Samsø、Utgrunden、Arklow Bank、Scroby Sands和 Kentish Flats。这种基础结构尤其适用于20~25m的中浅水域，目前通常采用的直径为4m，未来可能将达到5~6m。此方案的最大的优点在于它的简易性——利用打桩、钻孔或喷冲的方法将桩基安装在海底泥面以下一定的深度，通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜以保证基础的平正。而它的弊端在于海床较为坚硬时，钻孔的成本较高。
三腿或多腿固定式
此方案适用于水深超过30m的条件。较单桩固定式更为坚固和多用，但其成本较高，移动性也不好。与单桩固定式一样，不适宜较软的海床。
混凝土重力固定式
这是海上风电场采用的第一种基础结构，它主要是靠体积庞大的混凝土块的重力来固定风机的位置。这种方案使用方便，而且适用于各种海床土质，但是由于它重量大，搬运的费用较高。
钢制重力固定式
与混凝土重力固定式一样，它也是靠自身重力固定风机位置的，但钢制的重量仅有80~110吨，从而使安装和运输更为简单。当把钢制基座固定之后，向其内部填充重矿石以增加重量（一般为1000吨左右）。虽然此方案也适用于所有海床土质，但其抗腐蚀性较差，需要长期保护。
桶式基础
这种基础是将其放置在海床上之后，抽空内部的海水，靠周围海水所产生压力将其固定在海床上。此种基础大大节省了钢材用量和海上施工时间，降低了生产、运输和安装成本，同时拆除基础也很方便。
浮置式
浮置式基础适用于50~100m的水深，其成本较低，而且能够扩展现有海上风电场的范围。但是，由于其不稳定，意味着仅能应用于海浪较低的情况。此外，齿轮箱和发电机这些旋转机械长期工作在加速度较大的环境下，从而潜在的增大了风险并降低了使用寿命。
6. 海上风电场吊装方法
离岸风机的安装相对于岸上安装难度颇高，可通过千斤顶驳船或者浮吊船完成。其中的选择取决于海水深度、起吊机的能力和驳船的载重量。起吊机应具备提升风机主要部件（塔架、机舱、叶轮等）的能力，其吊钩提升高度应大于机舱的尺寸，确保塔架和风机装配件的安装。现有的浮吊船大多不是特意为海上风电场的风机安装而设计制造的。对于大型海上风电场（机组超过50台），通过使用安装驳船来控制建设周期（即控制成本），完成建设任务。
千斤顶安装（Jack-up Installation）
以千斤顶吊装塔架、机舱和叶轮是最先出现的海上风电场吊装方法。千斤顶可为安装工作提供一个稳定的基座，因此它也是打桩工程的首选。然而，其缺乏内在稳定性和机动性使塔架的安装较为困难。
半沉式安装（Semi –Submersible Installation）
对于执行海上建设工作，半沉式起吊船是漂浮平台中最稳定的一种。现有的驳船设计仅适用于较远的海上作业，而在浅滩地区较难发挥作用。
载运船，平底驳船，地面起吊机（Ship Shaped Vessel， Flat Bottom Barges and Land Based Cranes）
载运船和平底驳船在建设作业中的稳定性不够理想，较易受天气状况的影响。而地面起吊机，只要天气良好，便可显示出其旋转起吊机和费用低廉这来两项优势。
漂浮式安装（Float-Over Installation）
所谓漂浮式安装，就是先将塔架在码头上垂直吊起，再将其下放至待安装的模拟桩基上，用钉子固定，然后垂直安置于驳船上准备运送。等到涨潮时，排放压舱水使塔架与模拟桩基分开，一旦达到安全水深，驳船即引入压舱水作牵引之用，到达安装现场后，驳船再次排放压舱水，安全固定于海上风电场的桩基上。然后再次引入压舱水使驳船下沉，在桩基上调转塔架的支撑件，最后撤出驳船完成海上安装工作。
7. 各国海上风电发展计划
7.1. 德国
在海上风电场的建设方面，德国的规划可谓气势宏伟，累计安装容量排名第一。根据德国政府2002年公布的战略纲要，2006年安装的海上风机容量至少在500MW，2010年安装量将增至3000MW，2030年的长期目标中，包括德国海岸地区、专属经济区（EEZ）和国土外围12英里范围内安装容量将达到25000MW，产生70~85TWh的电力，达到1998年电力需求的15%[6]。
由于缺乏合适的场地，德国陆上风电场的兴建工作将在今后十多年中减缓，从而转向海上风电场的建设。目前已经在12英里开外的深水地区，以及近海地区都建造了海上风电场，如Borkum和Butendiek风电场。2005年12月，德国通过了一项400MW的海上风电项目，该项目位于北海，是德国迄今通过的第十个海上风电项目。
7.2. 丹麦
作为全球风电行业的先驱和领袖，丹麦拥有全球市场份额逾1/3的风机制造商Vestas，其2003年风力发电量占全国总发电量的18%。2003年末，160MW的Nysted大型海上风电场首期工程宣告竣工，同时Horns Rev海上风电场扩张工程也已经排上日程，此外还有3座大型海上风电场（LæsΦ、OmΦ Stalgrunde和Gedser Rev）仍在建设当中。预计到2030年，风力发电量将占该国总发电量的50%。
7.3. 西班牙
作为西班牙乃至全球知名风机制造商，GAMESA公司十分注重技术研发与创新：从2002年到2004年，该公司用于研发活动的投资呈逐年上升的趋势，到2004年该投资占销售总收入的3.4%。GAMESA公司已经在Navarra、Basque、Madrid、Andalusia、Cantabria等地成立了数家研发中心，其投资战略已获得欧洲投资银行（EIB）专家的充分肯定。正是拥有了GAMESA、MADE等一批较有实力的风电机组制造企业，才使西班牙在2004年的新装机容量跃居全球首位。预计西班牙风电将以平均每年1600MW的增长速度迅速发展，到2007年将达到13043MW[7]。
7.4. 英国
在英国，North Hoyle和Scroby Sands这两座总装机容量为60MW大型海上风电场均已投入使用，而在2005年刚刚完成建设的Kentish Flats和Barrow海上风电场也是2005年全球唯一完成建设的海上风电场，这使英国的海上风电装机容量大幅度提升。此外至少还有9个项目已经通过审批，这也意味着英国成为目前全世界最积极的海上风电市场[8]。
7.5. 美国
美国海上风电的发展目标首先锁定在浅滩，然后再发展至深水区域，其主要采用单机容量为5MW以上的风机。目前正在研制深水技术，在技术进步的同时，也将注重成本的控制，确保海上风电健康发展。作为美国首座海上风电场，位于美国东北部鳕鱼岬（Cape Cod）的鳕鱼岬海上风电场（Cape Wind）现已建设完毕，该风电场由170个变桨距上风向的三叶式风力发电机组成，总装机容量达到454MW，相应所需的风速在14m/s至25m/s，在平均风速19m/s的情况下，传输到电网上的发电量达1.5GW[9]；此外，皇后区西北面的长岛电力局（the Long Island Power Authority, LIPA）也已经提出开发装机容量为140MW海上风电场的计划。
7.6. 加拿大
在British Columbia省的Queen Charlotte岛，正在兴建一个Nai Kum海上风电项目。该项目是北美海上风电项目中最大的一项，总容量达700MW[10]，与德国ABB New Ventures工程开发公司合作完成。先期阶段的10个风电机组已经于2005年完成安装，将近680MW的主体工程计划将在2008年投入运行。
7.7. 其他国家
近些年，欧洲地区的其他国家在海上风电事业上也得到了迅速发展。荷兰政府目标在2010年总装机容量达到1500MW，首批建成两个近海风电场（Noordzeewind和Egmond）；比利时的Zephyr Consortium和C-Power正在Thornton Bank附近进行一项离岸30公里的海上风电场；瑞典目前有11座海上风电场正在规划中，预计到2008年将建成15座海上风电场；爱尔兰海上风电场的领路者Arklow bank风电场已经达到25MW的装机容量，并将扩至500MW，同时在爱尔兰的东海岸正在拟定建设另外6座海上风电场，总装机容量为1000MW；法国由于其沿海地区海浪和潮汐条件恶劣，建造海上风电场挑战性较大，但其拟建总容量也达到778MW[11]。
8. 总结
本文从海上风电的发展历程、现状、远景、以及基础的结构与安装等方面详细阐述了目前海上风电的发展情况，并介绍了一些海上风电大国在未来几年的发展计划。海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，预示着海上风电场将成为一个迅速发展的市场，海上风电设备产业将是一个经济增长点。
参考文献
7