山東能源集團(tuán)有限公司的研究人員姜楠，在2015年第1期《新能源進(jìn)展》雜志上撰文，海上風(fēng)電從潮間帶和近海走向深海遠(yuǎn)岸將是必然趨勢(shì)?，F(xiàn)有的機(jī)組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢(shì)必不能滿足新的環(huán)境要求。漂浮式基礎(chǔ)、整體安裝及自航自升式施工平臺(tái)極有可能成為未來(lái)海上風(fēng)力發(fā)電的主流技術(shù)。北半球中緯度附近海域在發(fā)展深海風(fēng)電方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)及迫切需求，我國(guó)需盡早進(jìn)行規(guī)劃和部署相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)。

相較于陸上風(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)力發(fā)電具有不占用土地資源、風(fēng)速高且穩(wěn)定、湍流強(qiáng)度小、視覺(jué)及噪聲污染小、靠近負(fù)荷中心等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了許多國(guó)家的重視。德國(guó)、英國(guó)、丹麥等國(guó)家在發(fā)展海上風(fēng)電方面走在了世界的前列，目前歐洲的裝機(jī)容量約占世界海上風(fēng)電總裝機(jī)容量的90%，主要集中在北海、波羅的海和英吉利海峽等地[1,2]。

根據(jù)測(cè)算，距離海岸線越遠(yuǎn)，風(fēng)速越大，發(fā)電量增加越明顯，離岸10km的海上風(fēng)速通常比沿岸高約25%。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，2010年歐洲已建成的海上風(fēng)電場(chǎng)平均水深為17.4m，離岸平均距離為27.1km;2012年平均水深22m，離岸平均距離29km;而從目前正在建設(shè)、批準(zhǔn)或規(guī)劃的項(xiàng)目來(lái)看，平均水深和離岸距離已分別達(dá)到了215m和200km[3,4]。因此，今后隨著潮間帶及近海區(qū)域風(fēng)電資源的開發(fā)強(qiáng)度逐漸飽和以及沿海地區(qū)環(huán)境保護(hù)呼聲的日益強(qiáng)烈[5]，

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，海上風(fēng)力發(fā)電從潮間帶和近海走向深海遠(yuǎn)岸將是必然趨勢(shì)。一般認(rèn)為，離岸距離達(dá)到50km或水深達(dá)到50m的風(fēng)電場(chǎng)即可稱為深海風(fēng)電場(chǎng)[6]。

在發(fā)展深海風(fēng)電方面，歐洲繼續(xù)走在了世界的前列，世界上首個(gè)著床式深海風(fēng)電場(chǎng)和首個(gè)漂浮式深海風(fēng)電場(chǎng)分別在蘇格蘭和挪威建成運(yùn)行[7,14]，但美國(guó)和日本已經(jīng)意識(shí)到其重要性并開始急起直追[8,9]。

1 技術(shù)現(xiàn)狀與分析

與近海相比，深海環(huán)境更加惡劣，存在著海流、波浪、潮汐、內(nèi)波等多種水文現(xiàn)象以及腐蝕、沖刷、淘空等長(zhǎng)期理化作用，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海底電纜、海上平臺(tái)集成等技術(shù)無(wú)疑提出了更嚴(yán)苛的要求[10,11]。

然而，與近海風(fēng)電場(chǎng)相比，深海風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)主要區(qū)別和難點(diǎn)更在于機(jī)組基礎(chǔ)型式和機(jī)組安裝方式兩個(gè)方面，因此需要重新評(píng)估和考慮。

1.1基礎(chǔ)型式

基礎(chǔ)是風(fēng)電機(jī)組賴以持續(xù)穩(wěn)定工作的平臺(tái)，是海上風(fēng)電場(chǎng)的重要組成部分，對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目的運(yùn)行質(zhì)量和投資效益影響較大，目前基礎(chǔ)的施工和運(yùn)維費(fèi)用約占海上風(fēng)電總投資的15%~25%。

按照基礎(chǔ)是否與海床直接接觸，可將現(xiàn)有的海上風(fēng)電基礎(chǔ)分為著床式和漂浮式兩種結(jié)構(gòu)形式，或稱為固基和浮基。其中，著床式基礎(chǔ)與陸上風(fēng)電類似，通過(guò)鋼樁、沉箱、網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)將塔筒固定于海床上，該基礎(chǔ)適用于近海區(qū)域(水深小于50m)，已被大量應(yīng)用于目前已建成的海上風(fēng)電場(chǎng)，技術(shù)成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富。

而漂浮式基礎(chǔ)的概念來(lái)源于深海油氣開發(fā)平臺(tái)，是指塔筒不與海床直接接觸，而通過(guò)錨索或纜繩將其與海底相連，使風(fēng)電機(jī)組可在某一相對(duì)固定區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，該類基礎(chǔ)目前主要處于研發(fā)和示范階段，但對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，與著床式基礎(chǔ)相比施工難度較小、運(yùn)維成本低，因此在發(fā)展深海風(fēng)電方面具有良好的應(yīng)用前景。

漂浮式基礎(chǔ)主要包括四種類型，分別是單柱式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、駁船型平臺(tái)和半潛式平臺(tái)。其中，單柱式平臺(tái)又稱Spar平臺(tái)，即利用固定在浮力罐中心底部的配重(壓倉(cāng)物)來(lái)實(shí)現(xiàn)塔筒平臺(tái)的穩(wěn)定，在系泊系統(tǒng)和主體浮力控制下，具有良好的動(dòng)力穩(wěn)定性[12]。

張力腿平臺(tái)(TensionLegPlatform,TLP)利用系纜張力實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性，即通過(guò)處于拉伸狀態(tài)的張力腿將塔筒平臺(tái)與海底連接，從而抑制平臺(tái)垂直方向上的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)水平方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[13]。

駁船型平臺(tái)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，它利用大平面的重力扶正力矩使整個(gè)平臺(tái)保證穩(wěn)定，其原理與一般船舶無(wú)異。半潛式平臺(tái)主要由立柱、桁架、壓水板和固定纜繩構(gòu)成，其設(shè)計(jì)靈活，是一種吃水較淺的改進(jìn)型張力腿平臺(tái)[14]。

上述4種平臺(tái)均已在海洋油氣開發(fā)中得到了大量應(yīng)用和充分驗(yàn)證，近年來(lái)陸續(xù)被提出應(yīng)用于深海風(fēng)電開發(fā)中并進(jìn)行了研究和論證。2009年，世界首個(gè)海上漂浮式風(fēng)力發(fā)電站“Hywind”在挪威海岸附近的北海正式投運(yùn)，采用的就是Spar浮體結(jié)構(gòu)[18]，2013年在日本長(zhǎng)崎海域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，單機(jī)容量2MW，由日立公司開發(fā)，項(xiàng)目名稱為“HAENKAZE”。

而2011年葡萄牙電力公司建成的“WindFloat”MW級(jí)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組則采用了半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，由美國(guó)PrinciplePower公司開發(fā)，單機(jī)規(guī)模6MW，正處于示范階段。此外，還有一些漂浮式基礎(chǔ)概念結(jié)構(gòu)處于設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段，比如SeaTwirl、SWAY、BlueH和Poseidon等[3]。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，這些浮體結(jié)構(gòu)基本上都是在上述4種平臺(tái)基礎(chǔ)上的改進(jìn)或綜合。

1.2機(jī)組安裝

由于海上氣候惡劣，有效作業(yè)時(shí)間短，所以機(jī)組安裝是整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中施工難度最高和風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)[19]，直接決定了整個(gè)項(xiàng)目的成敗。

機(jī)組安裝技術(shù)包括安裝平臺(tái)和安裝方式兩個(gè)部分。目前大部分海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸、吊裝、維修主要依托于現(xiàn)有的船舶平臺(tái)進(jìn)行。隨著離岸距離越來(lái)越遠(yuǎn)及機(jī)組功率越來(lái)越大，近年來(lái)已陸續(xù)出現(xiàn)新建或改裝的專業(yè)化海上風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)[20]，主要包括傳統(tǒng)起重船(自航非自升)、起重安裝平臺(tái)(自升非自航)和自航自升起重船3種類型[21]。

其中，自航自升船既可在海上自由航行，又可在目標(biāo)區(qū)域自由升降，是運(yùn)輸和安裝海上風(fēng)電機(jī)組的理想船型，英國(guó)2004年開發(fā)的世界上第一艘專門用于安裝海上風(fēng)機(jī)“五月花”號(hào)就是這種船型[22]。

海上風(fēng)電機(jī)組的安裝主要包括兩種方式：分體安裝和整體安裝。分體安裝是指在目標(biāo)海域按照基礎(chǔ)→塔筒→機(jī)艙→葉片的順序依次將機(jī)組的各主要部件裝配成一個(gè)整體，這種施工方法與陸上風(fēng)電場(chǎng)類似，適用于潮間帶及近海區(qū)域，目前運(yùn)行的多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)均按該方法建造;而整體安裝則是在岸邊將機(jī)組各部件裝配成一個(gè)整體，豎直放置于運(yùn)輸船運(yùn)送并安放至目標(biāo)地點(diǎn)，以減少海況對(duì)裝配精度的影響，作業(yè)費(fèi)用較低，這種施工方法是近年發(fā)展起來(lái)的，也已有成功案例[23-24]。

對(duì)適用于深海區(qū)域的漂浮式基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)根據(jù)具體的基礎(chǔ)型式選擇安裝技術(shù)。其中，單柱式平臺(tái)基礎(chǔ)的機(jī)組應(yīng)首選整體安裝，裝配完成后由起重船運(yùn)送并放置于目標(biāo)地點(diǎn);張力腿平臺(tái)基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組可在目標(biāo)地點(diǎn)將基礎(chǔ)平臺(tái)固定后，由自航自升船進(jìn)行分體安裝塔筒、機(jī)艙及葉片;而駁船型和半潛式平臺(tái)基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組則可在岸邊進(jìn)行整體安裝，后由拖船將其整體拖曳至目標(biāo)地點(diǎn)。

根據(jù)以上對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式及機(jī)組安裝技術(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)目前深海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已初步具備了技術(shù)可行性，將來(lái)通過(guò)借鑒海洋油氣開發(fā)及船舶工程經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)成熟度和可行性將進(jìn)一步提高。

2 發(fā)展重點(diǎn)及技術(shù)建議

研究表明，全球大部分海域單位面積的風(fēng)能儲(chǔ)量在2×103(kW.h)/m2，屬于風(fēng)能資源的富集區(qū)。據(jù)估算，全球海深60-900m區(qū)域風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量約為17.4×108kW，因此深海風(fēng)力發(fā)電潛力巨大[25]。

根據(jù)全球海域風(fēng)能資源分析可知，南北半球西風(fēng)帶資源最為豐富但破壞性天氣頻發(fā)(如我國(guó)南海地區(qū))，赤道附近和兩極海域風(fēng)能資源較為貧乏，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，適宜開發(fā)海上風(fēng)電的區(qū)域主要分布在南北半球中緯度附近海域[26-27]。

結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度、能源需求量及風(fēng)能資源情況來(lái)看，未來(lái)一段時(shí)期可能重點(diǎn)發(fā)展深海風(fēng)電的區(qū)域包括[28]：

(1)歐洲大西洋沿岸以及冰島沿海，包括北海、波羅的海、地中海、比斯開灣等海域;(2)北美洲東西海岸沿海，包括哈德森灣、墨西哥灣、圣羅倫斯灣及美國(guó)西海岸等海域;(3)東北亞地區(qū)沿海，包括渤海、黃海、日本海等海域。

上述海域風(fēng)能資源豐富，平均風(fēng)速約在8-9m/s左右，沿岸聚集了英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體以及中國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)、墨西哥等新興經(jīng)濟(jì)體，電力需求量大，且遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)等破壞性天氣多發(fā)區(qū)域[29]，因而應(yīng)當(dāng)是發(fā)展深海風(fēng)電的理想地區(qū)。

基于發(fā)展深海風(fēng)電的可行性和必要性，我國(guó)應(yīng)提前謀劃，加大工作力度，采取有力措施，推動(dòng)深海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的實(shí)用化和規(guī)?；l(fā)展。主要包括：

(1)啟動(dòng)深海區(qū)域風(fēng)能資源探測(cè)和海床地質(zhì)條件勘測(cè)工作，提前規(guī)劃渤海和黃海海域深海風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展布局及輸電線路走向;

(2)部署開發(fā)適應(yīng)深海地理氣候環(huán)境特點(diǎn)(如抗海冰、抗臺(tái)風(fēng)、抗鹽霧等)的風(fēng)電機(jī)組[30]，并積極進(jìn)行示范和實(shí)證;

(3)進(jìn)一步驗(yàn)證和對(duì)比4種漂浮式基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，積累深海風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸、施工、吊裝、維護(hù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，逐步形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;

(4)以當(dāng)前海洋工程裝備為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開發(fā)集運(yùn)輸和吊裝功能于一體的船舶平臺(tái)，同時(shí)培育專業(yè)化施工運(yùn)維服務(wù)公司;

(5)積極參與國(guó)際合作，共同開發(fā)深海風(fēng)電機(jī)組與深海風(fēng)電場(chǎng)，同時(shí)形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3 結(jié)論

隨著能源需求的逐步增加及近海風(fēng)能資源的漸次減少，深海區(qū)域必將成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主戰(zhàn)場(chǎng)。從目前開發(fā)趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)幾年海上風(fēng)電場(chǎng)的離岸距離將增加到50km以上，因此現(xiàn)有的機(jī)組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢(shì)必不能滿足新的環(huán)境要求。

漂浮式基礎(chǔ)、整體安裝及自航自升式施工平臺(tái)極有可能成為未來(lái)的主流技術(shù)。北半球中緯度附近海域在發(fā)展深海風(fēng)電方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)及迫切的需求，我國(guó)需盡早進(jìn)行規(guī)劃和部署。