海上风力发电的现状及展望

许立国，任建宇

（1.中电建新能源集团有限公司，北京 100101；2.天津大学建筑工程学院，天津 300350）

引言

作为一种新兴的海上新能源，海上风电具有风速更高、风能资源更丰富、单机容量高、靠近东部用电负荷中心、就地消纳方便、噪音污染小的优点。经过连续多年的高速增长，我国海上风电装机总量已居世界第一[1]。因此，大力发展海上风电成为实现“碳达峰、碳中和”目标的主要手段之一。

我国海上风电的发展主要集中在东部沿海地区经济较为发达的省份，如：福建、广东、江苏、上海等地区。据相关数据显示，2021 年我国风电行业的新增装机容量已经达到55.8 GW，与2020 年相比具有3 %的小幅度下降。其中，陆上风电新增装机容量为41.6 GW，同比下降23 %；海上风电新增装机容量14.2 GW，同比增长351 %。图1 为近年来我国海上风电新增和累计装机容量统计[2]。

图1 2013-2021 年我国海上风电累计和新增装机容量

1 国内海上风力发电现状分析

近年来，我国海上风电行业从科研阶段到设计阶段再到最后的施工运维阶段都取得了飞速的发展，与欧洲成熟市场之间的差距越来越小。在风机容量以及基础结构型式方面取得了突破性进展。

在装机容量方面，目前我国已经逐步掌握了4～7 兆瓦级风机的制造能力，7 兆瓦及以上风机产品制造数量也呈现日益增加的趋势；10 兆瓦及以上更大容量的风机目前正处于科研阶段[3]。

海上风机的基础结构主要包含固定式与漂浮式两大类，我国目前安装的海上风机用到的主要是固定式基础结构，主要包括重力式、桩基-承台式、单桩式、吸力筒式、多桩导管架式、吸力筒导管架式等，如图2～7 所示，其优缺点见表1。

表1 海上风电固定式基础结构优缺点

图2 重力式基础[4]

图3 桩基-承台式基础

图4 单桩式基础

图5 复合筒型基础（吸力筒式）

图6 单柱复合筒基础（吸力筒式）

图7 多筒导管架式基础

而随着近海风能资源的开发殆尽，我国海上风电的发展必然走向深远海域。目前国内外浮式风机基础类型主要包括三种型式：Spar 式、半潜式和张力腿式，国内外学者基于这三种基本类型衍生出了众多的新型结构型式，目前我国的漂浮式风机基础已经逐步从科研阶段迈向下一步的设计生产阶段。针对我国东南沿海台风多发的情况，我国自主研发了全球第一台具备抗台风能力的漂浮式海上风电机组—“三峡引领号”，并于2021 年7 月13 日在广东阳江海域顺利安装，如图8 所示。这标志着我国已经在一定程度上掌握了海上风机漂浮式基础的自主研发、设计、施工和运维的技术。

图8 三峡引领号

2 国内海上风电相关政策分析

为保证我国海上风电行业的稳健有序发展，有关部门陆续出台了多项发展政策。在2022 年之前，风电行业的迅速发展在一定程度上得益于中央财政补贴，海上风电此前0.85 元/度的标杆电价度电补贴价为0.4 元左右，补贴金额约为陆上风电的3 倍。2022 年开始，海上风电新建项目将不再受中央财政的补贴，据推测，到2025 年，我国海上风电度电成本有望下降40 %以上，才能够基本实现海上风电无补贴平价上网，所以此时中央及各省政府对海上风电的补贴只有做到逐步削减才能保证该行业的健康平稳发展。国内沿海地区必须要合理利用当地良好的海上风能资源，从而解决能源需求以及环境污染问题，首先当地政府要提高对环境保护和能源利用的认识，转变传统的发展观念，只有从政府的角度进行转变，才能够自上而下的宣传环境保护和能源利用意识，出台相应的政策、条文，让人们正视能源应用问题，以此保证能源的长期稳定供应。

据此，“十四五规划”以及各沿海经济大省出台了各项具体措施以保证该行业的继续发展。广东、江苏、广西等多个沿海省份均陆续发布“十四五”甚至更长时间内的海上风电相关规划目标，见图9。

图9 中国海上风电重点省份规划量[2]

截止2022 年3 月，我国各省海上风电相关政策汇总如表2。

表2 截止2022 年3 月中国各省海上风电行业政策汇总[5]

3 国内海上风电发展存在的问题

近年来，海上风电在相关政策的支持下逐渐呈现有规划的高速发展现状，相继形成了针对设计、建造、运输、施工以及运维等几个环节的相关规范，然而在高速的发展模式下，必然会带来各种发展问题，主要表现在以下几个方面：

1）海上风电场经济性较低：与陆上风力发电设备相比较，海上风力发电设备所处的环境更加复杂，面临的挑战也更多，这就意味着需要投入的资金、人力、物力也会进一步增加。主要体现在风机及基础结构建造成本高、海上施工装备租金高以及后期运维成本高而导致的度电上网电价较高[6]。我国从2022 年开始取消中央财政补贴后对海上风电行业进一步削减资本支出和运营成本提出了新的挑战。

2）对生态环境有一定影响：主要体现在叶片运动而产生的噪音会对附近海域的鸟类生存造成一定的干扰[7]。

3）自主施工装备及工程技术相对薄弱：由于海上风电产业属于新兴技术领域，所以存在着施工装备紧缺、关键设备依赖进口严重的问题，同时，海上风机安装与运维虽然与传统海洋工程具有类比性，但是海上风机除基础结构受到波浪海流等复杂海洋环境荷载的同时存在着上部叶片扫风面积大、塔筒结构高耸而的现象，使得风机本身承受了较大的上部风荷载，形成了基础结构受到大弯矩和大水平力的受力特征，从而对基础结构提出了更高的要求，所以需要进一步加强对基础结构及其配套工程技术的研发力度。

4 国内海上风电发展展望

在“十四五”期间，我国将以海上风电降成本为主要的发展目标，其主要手段将集中在以下几个方面。

1）风机机组大型化：风电机组成本占海上风机总成本的比例为45 %～50 %，风电机组单机容量越大，达到同等的风电场规模所需风机台数越少，进而达到降低成本的目的，因此，风电机组逐渐向着机组大型化和轻量化的方向发展，将会直接降低风电行业的非设备成本，同时，由于大叶片高塔筒的结构型式可以达到降低最低风速要求的目的，能够有效的提高风资源利用率，从而直接降低度电成本、提高土地资源利用率。

2）漂浮式海上风电：目前我国海上风电的开发主要集中在浅水滩涂海域，在近海即水深在5～ 50 m 的海域海上风能储量约为5 亿kW，据统计，水深大于50 m 的深水海域风能储量约为13 亿kW，这一储量远远高于浅水区域。但是当水深大于60 m时，固定式海上风机建造以及维护的成本会急剧上升，且难以保证其安全性。漂浮式基础因其可搭载更大功率的风机、适用于更深的海域而逐渐成为深远海风能开发的必要技术手段，目前已经成为了海上风能利用的重要研究方向，但却存在着诸多的技术挑战亟待解决。

3）海上风电联合其他产业融合发展：随着海上风电发展走向深远海域，由风电场向外的输电的成本会随着海缆本身以及海缆铺设工程成本的提高而快速增加，此外，锚固系统以及基础结构造价也较固定式基础有较大的提升，这也是目前我国深远海风电开发所面临的主要挑战。面对这一现状，业内人士提出了“多品种融合”的发展模式[8]，即将海上漂浮式风电与其他海洋工程的发展相结合，未来几年，我国海上风电的发展也将从单一模式逐渐走向多品种融合的发展模式，海上风电将与海洋渔业、氢能、海水淡化等多种产业相结合，以达到海洋能源的综合开发利用，从而降低海上风电成本。

5 结语

近几年来，国家的电力结构正式步入了一个全新的阶段，但是还需要进一步推动能源技术的改革和创新，从而让海上风力发电能够得到真正的开发利用，也能够让海上风能在电力生产中得到广泛应用。也只有充分借助包括海上风能在内的新能源，才能够有效解决能源储备不足的问题，继而从根本上提升我国的低碳经济水平，为建设国家良好的生态环境贡献一份力量，为世界生态环境尽我们的绵薄之力。