浅析海上风力发电的现状及展望

宋育章

（加州大学河滨分校，美国 加州 92507）

风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术。2019年，全球新增风电装机量超过60GW，比2018年增长19%，总装机容量达到650GW，比2018年增长10%。美国宇航局喷气推进实验室首席技术专家Paul Dimotakis表示，风能有可能提供世界未来能源的10%～15%。如果利用风力强的海洋区域来获取风能，每平方米可能会收获高达500～800瓦的风能。美国风能2020年将满足电力需求的10%，2030年达到20%，2050年达到35%。海上风力涡轮机在世界许多地方发电。最大的海上风电场之一，由48台涡轮机组成，位于丹麦和瑞典之间的波罗的海。专家估计，未来仅海上风电就可以在全球每年供应约5000太瓦时（TWh）的电力——约占全球年电力消耗量（约15500TWh）的1/3。为了确定潜在的风电场位置，学者根据NASA快速散射仪收集的数据绘制地图，可测量世界海洋上的风速和风向。卫星通过大气向海洋表面发送微波能量脉冲，并测量从风化表面反射回来的能量。本文就海上风力发电的现状、优势、支撑架构及产业配套等方面进行综述和展望。

1 海上风力发电的概述

1.1 海上风力发电的优势

海上风力发电作为一种可再生能源，发展迅速，前景广阔，技术相对成熟，相较其他资源，如太阳能、风能及地热能等，有以下优势。首先，海上风能资源丰富且风能质量高，海上风速比陆上风速高，近海岸距离达到10km的海面风速通常是沿岸陆地上风速的1.25倍；海面表面粗糙度小，风切变较小，不需很高的塔架；其次，海上风湍流强度小，有稳定的主导凤向，机组运行稳定，寿命长，一般是陆地风力机组寿命的3倍；再次，海上风的风速随高度的变化小，且海面粗糙度小，风速的大小和方向一般变化较小；最后，海上风电机组距海岸较远，视觉影响小，产生的噪音可忽略不计。

1.2 海上风力发电场选址

海上风力发电场的选址十分重要，选择的地质稍有不慎会导致项目的失败。进行选址时，需受到制约的因素众多，如管制区域的限制、环境生态要求及风资源的条件等。选址的基本原则要考虑以下几个方面：（1）风资源的类型、频率和周期，海床的地质结构，海底的深度和最高波浪级别；（2）地理位置：避开航线和雷达及军事设施，选择接近陆地的地方并接近主要电网的中心，方便基础工程实施；（3）极端情况考虑：地震类型及活跃程度、雷电等恶劣天气的应对措施等；（4）环境影响：符合当地城市建设规划与海洋资源的开发利用，考虑海上风力发电场对当地生态环境，水中生物以及旅游产业造成的影响等，尽量减少对渔业的影响。我国是能源消耗大国，可再生资源和新能源是我国未来能源建设方向，目前正在大力发展海上风力发电技术，目前已建成海上风力发电能源开发利用量超过20兆瓦，这种独特的资源优势对我国发展海上风力发电技术十分有利，可有效解决能源短缺问题。

1.3 海上风机的结构类型

海上风机结构类型一般分为以下四种，分别是单桩风机、重力式混凝土、沉箱多桩及吸力式风机。每种机械都有其独特的优缺点。单桩风机受到海底地质条件和海水深度的影响，插入海床的深度与土壤的强度有关，安装设备较为单一，一般安装在海底10～25m的中等水域，优点是安装简便，无须海床准备，缺点是移动困难，需要较高的费用。重力式混凝土沉箱基础结构体积较大，靠自身重量固定风机，优点是基础结构简单、造价相对比较低廉、抗风暴和风浪袭击能力强、稳定性较高，缺点是在安装时需要进行海地测量准备、施工时间长、运输费用大。多桩式，通常是为三脚桩适合在深海进行建造，优点在于重量轻、施工方便，缺点是成本高。最后一种是吸力式沉箱基础，它适合安装在砂性土及软黏土的地区，可以细分为单柱及多柱吸力式，优点为建造方法灵活，缺点为不稳定。海上风机基础结构类型的选择，取决于成本、水深、地质与海床条件和安装条件等。

2 影响海上风力发电发展的一些因素

目前正处于海上风力发电发展的黄金时期，影响海上风力发电的因素主要有：海上风电机组的单机容量更大，制造技术变得复杂，工程建设成本较高，海上风电机组的运行和维护成本也很高。对海上风场成本影响较高的因素有：离岸举例、水域深度、升压站的位置、风机等基础造价及人工费用等。此外，海上风电处于强腐蚀性的海洋环境，组件长期暴露在外，防腐蚀防护问题面临巨大挑战。而且，海上气候环境恶劣且复杂多变，风电机组的吊装、项目施工及运行难度大，需要加强气候监测能力，科学制定吊装和施工方案等应对措施。

3 我国海上风力发电的发展

《中国电力发展报告2016》显示，我国风电规模已成为全国第三大电源，风力发电装机容量达1.49亿kW，占全国发电装机总容量近10%。由于我国东部沿海地区海上风能资源丰富而常规能源缺乏，且工业基础雄厚、经济发达、环境保护要求高，因此，海上风能资源的利用尤为重要。据估计，5～50m水深、70m高度海上风电开发潜力约5亿kW。近海风场的可开发风能资源是陆地上实际可开发风能资源储量的3倍，未来发展空间巨大。我国海上风力发电最初开始于2007年中海油渤海，目前我国海上风电场已投产约38.9万kW。里程碑式的是2010年上海市东海大桥10万kW海上风电场，为亚洲首座大型海上风电场。此外，随着国家对新能源资源的重视和工业水平的进一步发展，我国已具备开发建设海上风电的良好条件，未来具有健康、规模化的发展势头。

4 对未来海上风力发电的展望

海上风力发电产业的配套是风电开发规模发展的关键。美国目前正打算需要用风力涡轮机安装船的特殊船只来达到扩大海上风力发电量的需求，截至2020年，全球只有32艘这样的风力涡轮船船只。对于目前的情况，我国目前已有十几种专业风电安装船，未来也可以参考改进风力涡轮机安装船，使海上风力发电更进一步，针对目前已有的几艘海上风力发电船只的技术继续发展。在未来的清洁能源领域可以实现后来居上，在能源短缺的问题上提供相应的解决措施。

5 结语

新能源的开发与利用有利于我国低碳社会和低碳经济的发展，海上风力发电作为一种清洁能源，更是当前值得提倡的发展方向之一，陆地风力发电技术的不断成熟促使风力发电技术的成熟，为海上风力发电技术的发展打下了坚实的基础。在海上风力发电技术上的提高会使我们未来的用电成本进一步下降，也能让海上风能得到进一步的利用。