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首页 >> 特别报道 >> 风从海上来 电送千万家
 
风从海上来 电送千万家
来源:科技日报 作者:记者 何 亮 策 划:刘 莉 时间:2022/11/3 
15年来,我国海上风电从无到有,从探索期、培育期进入了高速发展期,海上风电的布局也从潮间带、浅海,逐渐向深远海挺进。截至2021年底,我国海上风电累计装机26.38吉瓦,占全球海上风电装机总量的48%,位居全球第一,为我国绿色低碳的新能源发展闯出一条新路。

从山东潍坊港乘船出海,两个小时后,宽广的渤海海面上出现一派壮丽景象:一台台百米高的白色风电机组迎风矗立,犹如一排排笔直挺立的高大士兵。这里是山东昌邑市海洋牧场与三峡集团300兆瓦海上风电融合试验示范项目海上风电场。10月31日,这里的工程师迎风作业,对海上风机进行着精细调试,为即将到来的并网发电做着积极准备。

截至2021年底,我国海上风电累计装机26.38吉瓦,占全球海上风电装机总量的48%,位居全球第一。

面对大风,风电技术研发人员化身“御风者”,乘风而上、化风为宝,将强劲的海风转化为一度度清洁电能,为我国绿色低碳的新能源发展闯出一条新路。

习近平总书记指出,我国是一个海洋大国,海域面积十分辽阔。一定要向海洋进军,加快建设海洋强国。

党的二十大报告指出,“加快规划建设新型能源体系”“加强能源产供储销体系建设,确保能源安全。”15年来,我国海上风电从无到有,从探索期、培育期进入了高速发展期,海上风电的布局也从潮间带、浅海,逐渐向深远海挺进。

2022年起,我国海上风电的补贴全面取消,海上风电行业将进入低成本、规模化的发展阶段。通过技术创新、降本增效提升市场竞争力成为必然。

为何选择与大海博弈

1991年,距离丹麦海岸线两公里的海域,11台白色风车组成的“钢铁森林”迎风傲立,“童话王国”的海岸线出现了世界上第一座海上风电场。

全球海上风电起源于欧洲,迄今海上风电已有约30年历史。全球风能理事会发布的《全球风能报告2022》显示,2021年,全球海上风电新增装机容量21.1吉瓦,同比增长两倍,创历史最大增幅。

为应对气候变化,各国都在能源结构和生产方式上寻求变革。《英国能源安全战略》提出,2030年,海上风电装机达到50吉瓦。德国海上风电预计在2030年达到30吉瓦。美国计划到2030年累计装机达到30吉瓦。

大海到底有何魔力,吸引各国争相将大风车矗立在蔚蓝的海面上?

与陆上建设风电场相比,海上风能资源丰富、储量大,可集中连片大规模开发。而且,海上的风资源禀赋好,风速大、功率密度高;更为关键的是,风电场的建设需要大量的空间场地,海洋面积广阔,没有地表障碍物限制,可不断向远海深海开拓。

在我国,发展海上风电有特别的优势。我国海上风电资源丰富,相比于陆上风电资源,其到达沿海等高能源需求地区的距离短、成本低,适合大规模开发。福建、浙江、山东、江苏、广东等用电大省,正好都是沿海地区。

“应从两个方面认识海上风电的重要定位:战略意义上,海上风电对实现我国碳达峰碳中和目标具有重要地位;科技意义上,风电各产业链技术是国际必争的制高点。”中国工程院院士、中国华能集团原董事长舒印彪说。

海上风电是高度资本密集型行业,它的健康发展离不开政策管理和长期规划的完善。近年来,我国海上风电发展迅速,行业崛起的背后是国家政策的大力支持。

作为海上风电发展的亲历者,中国三峡新能源(集团)股份有限公司副总经理、党委委员吕鹏远见证了我国海上风电发展的三个阶段。

2007—2011年为探索规划期,《海上风电场工程规划工作大纲》出炉,正式启动我国沿海地区海上风电规划。

2012—2017年为重点培育期,《全国海上风电开发建设方案》等系列规划方案出台,海上风电成为我国风电发展的重点任务,数个规模化的海上风电场建成。“十二五”末期是我国陆上风电向海上风电发力转型的“分水岭”。吕鹏远介绍,当时,六座千万千瓦级风电基地集中在“三北”地区,由于本地消纳能力不足,外送通道短缺,大量清洁风电被“遗弃”。国家能源局的数据显示,2015年全国风电弃风率为15%,成为有史以来弃风最严重的年份。也正是在2015年前后,我国海上风电建设迎来了提速。

2018—2021年底为快速发展期,《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》出台,我国海上风电加快从近海向远海迈进的脚步。

从全球范围看,现阶段海上风电整体仍处于发展初级阶段。根据全球风能理事会统计,截至2021年,全球海上风电累计装机规模为56吉瓦,在全球风电总装机中只占7%。

我国拥有18万公里的海岸线,200多万平方公里的大陆架和6500多个岛屿,海上风资源技术开发潜力超过3500吉瓦。如今,我国新增海上风电规模已位居全球第一,成为全球最重要的海上风电市场之一。

在国家政策加持下,国内多家海上风电企业开始与大海的博弈。

将风机搬进海洋并非易事

2007年,辽东渤海湾,中海油绥中36-1油田的钻井平台上,赫然立起一个与石油开采不相干的庞然大物。近40米高的白色塔筒托举着风机机头,三支约40米长的叶片迎风旋转,就像一位全副武装的钢铁巨人在与海风搏斗。

这是我国第一台在海洋环境中运行的直驱永磁风电机组,这台由新疆金风科技股份有限公司(以下简称金风科技)研制的试验样机装机容量仅有1.5兆瓦,机型还是陆上风机的机型。而在当时,国外的海上风机已经能做到3.6兆瓦。这意味着要缩短与国外的差距,我国海上风电全产业链要追赶数年。

当渤海湾的这台机组点亮第一盏灯时,也点亮了中国海上风电继续远航的灯塔。

然而,风电产业从陆地走向海洋绝非易事,首当其冲便是自然环境更为复杂。在陆地上架设风机只需考虑风载荷的影响,但在海上,风机遭遇的环境载荷来自风、浪、流的联合作用。南方沿海台风频发,渤海冬季海冰入侵,对风机和基础的强度与疲劳性能提出更高要求。此外,高湿、高盐的环境会加剧对叶片的腐蚀,不光导致发电量的下降,严重时还会损毁风机设备。

吕鹏远告诉科技日报记者,海底地形、地质较为复杂,特别是东海、南海海域起伏陡峭、遍布礁石及孤石,有的海底高差大,有的裸岩坚硬如铁,对工程施工提出了严苛的要求。面对复杂的海洋环境,只有大力推进科技创新,才能实现风力资源的高效利用。

“十一五”至“十三五”期间,国家层面支持风电产业科技创新的力度不断加强,863计划、国家科技支撑计划、国家重点研发计划在风电领域设立科研项目,密集支持海上风电机组关键零部件的研制与测试技术的开发,并在2019年的可再生能源与氢能技术项目中,布局面向深远海的大功率海上风电机组及关键部件的设计研发项目。

2010年6月,亚洲首座海上风电场——上海东海大桥海上风电项目并网发电,标志着我国海上风电建设进入实战阶段。迎着海风展翅高旋,每年将2.67亿度电通过海底电缆送回陆地,可供上海20余万户居民使用一年。

今年2月22日,我国自主研制、拥有完全自主知识产权的13兆瓦抗台风型海上风电机组在福建福清下线。这是迄今为止亚洲地区单机容量最大、叶轮直径最大的风电机组,国产化率达到了90%。

13兆瓦风电机组有多大?它的轮毂中心高度达130米,相当于43层楼高,它的叶轮直径相当于三个福建舰航母并排的宽度。大功率(兆瓦数)风机,是名副其实的“海上风电大国重器”。单就这一台风机,转一圈能发电23千瓦时,可以让25瓦的电灯点亮38个昼夜。

起步虽晚的中国海上风电产业,牢牢抓住发展机遇。从2007年首台1.5兆瓦风机,到2009年东海大桥3兆瓦风机,再到2017年兴化湾风电场6.7兆瓦风机,直到今年13兆瓦风机下线,我国海上风机制造能力走在了世界前列。根据彭博新能源财经公布的数据,2021年全球风电整机制造商排名中,我国风电整机制造商占据了前10名中的6席。

15年来,中国海上风机的单机容量翻了3番,以每年一个兆瓦的速度在增加。从跟跑,到并跑,再到实现领跑,这是中国海上风电人的梦想。作为海上风电大机型“孵化器”的福建三峡海上风电产业园,见证了这个梦想的实现。

发展海上风电,福建海域有一个非常重要的优势:受季风和台湾海峡“狭管效应”的影响,福建风力资源丰富,是中国乃至世界海上风电的极佳地。但是,风好也意味着海上风电建设的窗口期少、浪大。“如果在开发难度最大的地方将海上风电圆满地建设起来,那么我们建其它地方的海上风电就能更容易。”负责海上风机安装的中交第三航务工程局有限公司相关负责人说。

为了海上风机的创新应用,2017年9月,三峡集团在福建福清兴化湾摆下全球海上风电“奥运”竞技场,建设了国内第一个海上风电产业园。金风科技、上海电气、明阳智能、东方电气、GE等8家国内外知名风机厂家的14台风机同场竞技,目标是遴选出最适合我国海上风电发展的风机,以推进海上风电高端装备国产化、大型化。

金风科技总裁曹志刚回忆说,福建兴化湾风电场对风机的要求达到或者接近当时国际先进水平,单机容量实现6.7兆瓦。“对中国风电装备制造业来说,从3兆瓦提升到6.7兆瓦,尤其是在台风频发的东南沿海,保证风机快速稳定运行并不是件简单的事情。”曹志刚直言。

单机容量扩增一倍多,风机机头的重量将由不足200吨提升到400吨,叶片的直径由过去的121米达到了154米,风机的扫风面积相当于2.5个足球场。将这样的庞然大物稳稳地立在海上,对工程建设是巨大挑战。

吕鹏远清楚地记得,当时参加比赛的两个外国厂家提供的产品为定型产品,金风科技做的却是首台套。最后在海上安装风机时,正常的调试时间是72小时,金风科技用时不到10小时就完成调试,性能还优于国外同类产品,打了一场漂亮的翻身仗。

依托海上风电竞技场,福建兴化湾的产业园一边实验,一边建设。2018年底,产业园建成,海上风电全产业链实现落户。如今,金风科技、东方电气等国产风机已经供不应求,产业园中除了6.7兆瓦风机之外,8兆瓦的机型也已量产,13兆瓦风机已经下线,15兆瓦以上的风机正在研发。

向深远海进发的号角已吹响

中国南海,离岸28公里,水深30米处,一台高度超百米的风电机组屹立在三角结构的漂浮平台上,远远望去,悠悠转动的巨大桨叶赫然醒目,叶片转动1小时,满发5500度电,可够一个三口之家用上两年。

这是我国拥有完全自主知识产权的漂浮式风电机组及基础平台,具有大容量、抗台风、漂浮式的特点,2021年12月7日,机组正式并网发电,标志着我国海上风电迈出了向深远海获取风能资源的探索步伐。

海上风电向深远海挺进,漂浮平台建造、超远距离输电等工程技术是绕不开的难题与挑战。

与近海机组“站立”海底不同,漂浮式风电机组及基础平台是用锚系与海底链接,让浮体与风机像不倒翁一样“漂”在海面上,保证风机即使在台风来临时也不沉不倒,不出问题。

长期从事风能研究的中国科学院力学研究所研究员杨晓雷在接受记者采访时表示,此前,我国在海洋工程上发展的漂浮式平台技术主要针对油气开采,无论是海下水深、承担载荷、安全系数以及经济指标都与海上风电的漂浮式平台有很大差别。而且国际规范的适用性不足,因此尽管欧洲等国家的漂浮式技术与建造经验相对成熟,却并不完全适用于我国的海上漂浮式风电建设。

“让风机安全稳定地漂浮起来,核心难题在于制造出适合于我国海域特点的风机与漂浮式基础。”杨晓雷表示。

目前,欧洲仍然是深远海域海上风电的先行者,欧洲市场已经完成建设漂浮式单立柱式风机20余台,半潜式风机10余台,多个海上风电强国也已在深远海域进行布局。截至2021年底,全球已经投运的商业化漂浮式海上风电场共3个,均位于英国。

遥远的海上风场,怎样将电送上岸?

在所有海域铺设海缆不可行。如果大规模开发、远距离输送,海缆的成本将很难负担得起,海域的建设更不允许。中国“御风人”想到一个办法,建设“海缆路由”——海上换流站,用柔性直流将电从远方送来。

在江苏如东离岸50公里的黄沙洋海域,行船远眺,高度约15层楼的海上换流站稳稳地立在大海上,向过往的船舶凸显着存在感。而在海底,一根根海缆正深埋在淤泥海床下,将海上风电场的电能汇聚于此,再通过换流站转换为损耗更低的直流电后,送至陆上。

江苏如东风电场是我国第一个海上柔性直流输电工程。“柔性直流输电是长距离海上风电的最佳选择。”国网江苏省电力公司建设部副主任吴威告诉记者,电网要实现稳定运行,控制好电压和频率两项指标至关重要,它们相当于一个人的血压和心率。柔性直流不仅输送电能,还能调节电压,它的应用就像人有了强健的心脏和血管,能很好控制心率和血压。

2021年11月8日,随着7号风电机组叶轮缓缓转动,柔直输电的首批机组成功并网,长达108公里的输送距离创造了国内纪录,正负400千伏的电压等级,比欧洲已采用的海上柔性直流输电工程还要高。

吴威说,只简单地将直流与交流相比,同样断面的线缆,直流可以多输送4倍电能,成本下降的同时还可以减少工程对海域的干扰与占用。

互联网+大数据改进运维管理

因为运行效率高、输电距离短、不占用土地、适宜大规模开发等特点,我国相关部委和沿海多省份出台的能源规划中,都将海上风电作为未来的重点发展方向。

2021年10月21日,国家发展改革委等九部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》,提出有序推进海上风电基地建设,积极推动深远海海上风电技术创新和示范应用,不断推进深远海海上风电降本增效,以实现海上风电平价示范。

今年5月26日,国内首艘“运输+起重”一体化深远海海上风电施工船——“乌东德”号在江苏南通顺利出坞;9月28日,国内首艘2000吨级第四代海上风电安装平台——“白鹤滩”号在广州南沙顺利交付。两艘海运重器开拔出海,为我国海上风电开发走向深海劈波斩浪。

我国海上风电建设如火如荼地推进,海上风电运维与管理更是不可或缺。

“由于我国海上风电在近几年才开始迅速建设和并网发电,海上风电机组尚未经过充分的运行验证,运维管理也缺乏相应经验,基本照搬陆上风电管理模式。”杨晓雷说。据统计,目前我国海上风电场整体的运维成本,远高于同等装机容量的陆上风电场运维成本。

曹志刚告诉记者,导致海上风电运维成本较高的原因有两个。一是海上风电所处特殊环境造成的设备可靠性差、故障率高、维修工艺难度也高;二是受机组可靠性未充分验证的影响,运维团队专业性欠缺,远程故障诊断和预警能力还不健全。

如何提升海上风电运维能力,降低运维成本,是产业界关注的焦点,也是科研领域发力的方向。

在杨晓雷看来,随着信息技术加速应用,海上风电运维正逐步向状态检修为主、计划检修和故障检修为辅的模式转变。运维团队可以通过在风机和风电场布设风力传感器,实时感知风况,加强状态监测预警,甚至可通过物理原理+神经网络算法,实现对风况的高效预测,以提前调整风机运行状态,在提升发电量的同时降低海风对风机结构的破坏。

“故障诊断和远程预警是支撑海上风电运维高效运转的另一项关键技术。”杨晓雷表示,借助智能风机的安装,我国海上风电运维企业要尽快建立海上风电机组智慧运维体系,通过运维大数据的采集、分析和计算,不断提升故障预警诊断能力,及时进行工单推送,优化运维策略。

就成套设备而言,我国海上风电现有的运维船舶更适合距离海岸较近的风电场作业,且运载能力有限。随着海上风电场离岸距离的增加,船舶的油耗成本、承载能力以及对抗恶劣天气的能力都将限制其在运维作业中的应用。因此,曹志刚建议,未来急需加速制造更多更适合我国海上风电运维的专业化船舶并投入使用。

浩瀚海洋,风起电至。中国的大风车在更广阔的海域安家落户,继续着变海风为能源的努力。
责任编辑:myadmin
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