科技前沿速遞（dì）——走向深藍的（de）浮式海上（shàng）風電

近年來，隨著極端氣候頻繁出現以及“碳達峰、碳中和”目標（biāo）設定，對清潔能源的需（xū）求（qiú）將會（huì）成為今後一段時間關注的焦點。而隨著潮間帶（dài）、近海機（jī）位逐漸飽和，風電場建設走向深遠海已成為必然趨勢，由陸向海、由淺到深（shēn）、由固（gù）定基礎到浮式平台將成為海上風（fēng）電的發展趨勢。浮式風電將（jiāng）成為繼風機大型（xíng）化之後（hòu），海上風電的主要降本方（fāng）式，根據全球風能理事會預（yù）測，2030年全球浮式海（hǎi）上風電累計裝機將達到16.5GW，從2026年開始，浮式海（hǎi）上（shàng）風（fēng）電將進入新（xīn）增裝機達（dá）到GW級商業化（huà）階段。2022年9月15日（rì），美國能源部、內政（zhèng）部、商務部和交通（tōng）部（bù）聯合啟動了一（yī）項“浮式海上風電行動計（jì）劃”（Floating Offshore Wind Shot），旨（zhǐ）在開辟傳統底部固定式風力發電裝置無法到達的新區域，並推動美國在浮式海上風電設計（jì）、開（kāi）發和製造方麵處於領先地（dì）位。

1 何為浮式風電？

浮（fú）式海上風電技術組成如下：浮（fú）式基礎支撐上部風機，通過係泊係統與海床相連，關鍵技術包括風機（jī）、基礎+係泊、動（dòng）態電纜、升壓換流站等。較為重要的浮式（shì）基礎即可大致分為單立柱式、半潛式、張力腿式、駁船式等，半（bàn）潛式大概（gài）占50%。

浮式風電的優勢主要有以下幾點：①拓展海上風電的使用範（fàn）圍，向深（shēn）海、遠洋擴展；②克服海床地質條件問題；③深海的風力更（gèng）穩定、更強（qiáng）勁；④可以建設更大規模的風場；⑤減（jiǎn）少對環境（漁業區、旅遊區以及海洋生物）的（de）影響。

浮式風電技術發展方向將圍繞著以下幾種方式：①風機大型化，可降低度（dù）電成本，節約基礎、係泊、電纜等投資成本，提高電力可靠性（xìng）；②通過計算機（jī）高精度、全耦合（hé）仿（fǎng）真與（yǔ）優（yōu）化，簡化安裝方式；③基礎新形式、新材（cái）料、新工藝應用；④與海（hǎi）上石（shí）油天然氣實現能源一體化。通過推動海（hǎi）上風電與（yǔ）海洋牧場、海上油（yóu）氣、海（hǎi）水淡化、製氫、儲能等（děng）多種資源的綜合利用和融（róng）合發展，提升資源利用效率（lǜ）。⑤建設和（hé）運維的智能化、數字孿（luán）生技術（shù）運用。建立（lì）高度仿真的深遠海浮式風電機組實時動態模型，實時更（gèng）新虛擬實（shí）體與物理實體（tǐ）的對應關係，以達到模擬、監測、預測等目的。

2  浮式風電研究現（xiàn）狀（zhuàng）

國外浮（fú）式海上（shàng）風電項目是單機或多機示範項目，如（rú）挪威Hywind demo、葡萄牙WindFloat、日（rì）本GOTO及Fukushima Forward、法國Floatgen和丹麥Tetraspar等。Hywind Scotland及Wind Float Atlantic、法國的EolMed、Groix&Belle-Ile、Provence Grand Large等為小型陣列的試點項目，對於研究浮式風場尾流、布置、共享係泊等技術問題（tí）提供了很好的條件。目（mù）前唯一在建的預商業項目是95MW的Hywind Tampen。而我國目前建成投產的浮（fú）式海上風電項目有三峽引領號，中國海裝扶搖號，但造價均超過3億元，距離商（shāng）業化大規模（mó）開發（fā）仍有較大差（chà）距。

挪威Hywind 項目

世界首個海上浮式風力發電機Hywind demo項目於2009年9月由挪威國家石油（yóu）公司在斯塔（tǎ）萬格海灣安裝，立柱式基礎，並通過三根錨索固定（dìng）在海下。

挪威Hywind demo項目 資料來（lái）源：nhst.tech

在（zài）完成demo項目後，2020年10月，挪威國家石油公司Equinor正式開始建造（zào）全球首（shǒu）個由浮式風機向石油平台供電的項目Hywind Tampen。項目總裝機容量已升級95MW，將為挪威（wēi）北海Snorre和Gullfaks海上油氣作（zuò）業平台提供每年約35％的電力需求，采（cǎi）用混凝土立柱式（SPAR）下部結構和 Seasystems新型係泊係統。表1分別給出了Hywind demo和Hywind Tampen項目主要設計參數。

表1 Hywind項目參數

日（rì）本GOTO和Fukushima Forward項目

2011年，由（yóu）日本環境省啟動的GOTO項目，是亞洲首例全尺（chǐ）寸浮式機組樣機，位於日本（běn）的（de）長（zhǎng）崎縣五島市樺島（Kabashima）離岸1km、水深91m的海域，今年9月已開始繼續建（jiàn）設16.8兆瓦的Goto海上（shàng）浮式風電場（chǎng），成為日本首（shǒu）個商業化運營項目，預（yù）計於2024年1月投入使用（yòng），設計運營壽命20年。

而日本Fukushima Forward 浮式海上風電場是（shì）安裝浮式樣機型式最多的示範項目，位於距離福島（dǎo）楢葉町（dīng）沿岸約20km、水深（shēn）約120m的海域。目前，陸續安裝了1台2MW、1台7MW和1台5MW機組（zǔ），並安裝世界上第（dì）一個25MVA的浮式海上升壓站。表2分別給出了GOTO和Fukushima Forward項（xiàng）目（mù）項目主要設計參數。

表2 日本主要浮式風電項目參數

中國三峽引領號和“扶（fú）搖”號

2021年7月 “三峽引領（lǐng）號”在廣東陽江海上風電場（chǎng）順（shùn）利安裝，位於南海海域，12月成功並網發（fā）電，場址（zhǐ）中心離岸距離（lí）30公裏，基礎平台和風電機組根據50年一（yī）遇的極端風浪流（liú）工況設計，漂浮平台排水量約1.3萬噸，該浮式風電機組單機容量5500千瓦，每小時滿發電量可達5500度，每年可為3萬戶家庭提供綠色清潔能源電能。

同年（nián）12月10日，由中國（guó）海裝牽（qiān）頭自主研發（fā）的“扶搖號”浮式風電（diàn）機組浮體平台（tái），在黃埔文衝成功下線，2022年6月5日，紮根南海瓊州海峽海域（yù）順利完工，基礎平台總長72米、型（xíng）寬80米、型（xíng）深33米，塔筒高度78米，浮體和機組總重量超過4000噸，采用三葉（yè）片、上風向、變槳變速、三（sān）級齒輪箱增速、永磁發電機+全功率變頻器的（de）技（jì）術路線，具有高發電（diàn）量、高可靠性、高安全性、高集成性和高可維性（xìng）等特（tè）點。表3分別給（gěi）出（chū）了三（sān）峽引領號和扶搖號項目主要設計參數。

扶搖號  資料來源：新華社

表3 中國主要浮（fú）式風（fēng）電項目參數

其他建設中的項目

除上述（shù）進入安裝運行階段的樣機項目外，近年來（lái），一些新型浮式（shì）基礎方案也逐步獲得示範核準（zhǔn），並即（jí）將進（jìn）入樣機安裝階段。例（lì）如（rú），丹麥Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司的Tetra spar浮式方案，在（zài）2021年12月示範樣機（jī）已調試完畢，錨定（dìng）在挪威海岸（àn）一處200米水深的地方正式運行，主要（yào）采用立柱形（xíng）態的浮式基礎，帶有三角形（xíng）龍骨，適合（hé）100-1000+米水深。

2019年4月（yuè），西班牙的Saitec宣布其獲得200萬歐元的歐盟資助用於建造一座1：6的2MW樣機SATH（Swinging Around Twin Hull），采用淺吃（chī）水雙體船浮式方（fāng）案。SATH屬於駁船（chuán）+單點的形式，由四部分（fèn）組成：混凝土預製的雙船（chuán）體（tǐ），桁架（jià）支撐結構，單點係泊係統（tǒng）以及係泊係統和外輸電纜。

2022年9月，瑞典 SeaTwirl 公司提出一種新的技（jì）術方案，浮動垂直軸（zhóu）風力渦輪機，采用的（de）是單柱式基礎，但並非簡單的單柱式，而是與垂（chuí）直（zhí）軸風機一體化設計的旋轉單柱式基礎。現已與威斯康（kāng）公司簽署協議，在挪威建造和部（bù）署一個商業規模的1兆瓦渦輪機S2X 。

早在2017年，德國的GICON公（gōng）司和美（měi）國的Glosten公司就海上平台沉拉腿（海上風力發電機基礎）TLP技術的開發達成戰略合作關係，於2022年開始（shǐ）建設樣機。

幾種（zhǒng）新型海上（shàng）風（fēng）電浮式基礎方案示意圖

3 相關核心（xīn）專利摘編

為更好反映浮式海上風電技術的發展，本文摘錄了9條該領域的專利文獻資料，具體如下：

資料來源：

[1] 李麗旻. 漂浮式海上風電（diàn）商業化再進一步[N]. 中國能源報,2022-07-11（011）

[2] 王富強,郝軍剛,李帥,等. 漂浮式海上風電關鍵技術（shù）與發展趨勢[J/OL].水力發電:1-5[2022-09-30]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1845.TV.20220812.1105.002.html

[3] 降本（běn）近40%！漂浮式海上風電“朋友圈”要火了（le）！[EB/OL]. （2021-11-23）[2022-09-30]. https://mp.weixin.qq.com/s/EDlrX_aZrxuXSZMBjqmP0A

[4] 一文幫你快速了解——漂浮式（shì）風電 [EB/OL]. （2020-09-01）[2022-09-30]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/210454336

[5] 漂浮式海上風電發展概述[EB/OL]. （2020-07-15）[2022-09-30].https://news.bjx.com.cn/html/20200715/1089172.shtml

來源：上海（hǎi）海事大學TISC