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海上風力發(fā)電論文
【摘要】丹麥在風力發(fā)電領域占有領導地位目前丹麥有世界上最大的海上風電場。根據(jù)丹麥政府能源計劃法案中的第21條，2030年以前海上風電裝機將達到4吉瓦，加上陸地上的1.5吉瓦，丹麥風力發(fā)電量將占全國總發(fā)電量的50%，與此對照一下，1998年年中，丹麥風電總裝機容量僅為1.1吉瓦。
20世紀70年代石油危機以后，開始了風能利用的新時代。在一些地理位置不錯的陸地上，風能的開發(fā)具有一定的經(jīng)濟價值，而人們在另外一個前沿，發(fā)現(xiàn)開發(fā)風力發(fā)電的經(jīng)濟性也相當不錯：海上風能。世界上很多國家開始制定計劃，考慮開發(fā)海上風電場。海上風電場的風速高于陸地風電場的風速，但海上風電場與電網(wǎng)聯(lián)接的成本比陸地風電場要高。綜合上述兩個因素，海上風電場的成本和陸地風電場基本相同。
兆瓦級的風機，廉價的基礎以及關于海上風條件的新知識更加提高了海上風電的經(jīng)濟性。研究人員和開發(fā)者們將向傳統(tǒng)的發(fā)電技術進行挑戰(zhàn)，海上風力發(fā)電迅速發(fā)展成為其它發(fā)電技術的競爭對手。
海上風電場的開發(fā)主要集中在歐洲和美國。大致可分為五個不同時期：
歐洲對國家級海上風電場的資源和技術進行研究(1977～1988年)；
·歐洲級海上風電場研究，并開始實施第一批示范計劃(1990～1998年)；
·中型海上風電場(1991～1998年)；
·大型海上風電場并開發(fā)大型風力機(1999～2005年)；
·大型風力機海上風電場(2005年以后)。
一、丹麥的風力發(fā)電
1.丹麥的第21條計劃
丹麥在風力發(fā)電領域占有領導地位目前丹麥有世界上最大的海上風電場。根據(jù)丹麥政府能源計劃法案中的第21條，2030年以前海上風電裝機將達到4吉瓦，加上陸地上的1.5吉瓦，丹麥風力發(fā)電量將占全國總發(fā)電量的50%，與此對照一下，1998年年中，丹麥風電總裝機容量僅為1.1吉瓦。
丹麥電力系統(tǒng)中共計5.5吉瓦的風電裝機意味著風力發(fā)電將會階段性過量地滿足丹麥電力系統(tǒng)的需求。因而，在未來，丹麥的海上風力發(fā)電場將會成為以水電為基礎的斯堪的納維亞電力系統(tǒng)中不可分割的一部分。
丹麥計劃法案對4吉瓦的海上風電投資共計480億克郎(約合70億美元)，這將成為世界上風電中最大的投資。
2.丹麥海上風力發(fā)電時間表
丹麥電力公司已經(jīng)申請了750兆瓦海上風場的建設計劃，根據(jù)時間表，在2027年之前，丹麥風電裝機將達4吉瓦，第一階段在2000年建一個比哥本哈根海岸風電場稍小一點的40兆瓦海上風電場。
丹麥電力公司給環(huán)境和能源大臣的報告確定了丹麥海域四個適合建風電場的區(qū)域，其蘊藏量達8吉瓦。選擇這些區(qū)域的理念很簡單：出于對環(huán)境的考慮，委員會只對那些為數(shù)不多且偏遠的水深在5～11米之間區(qū)域的容量關心。所選的這些地區(qū)必須在國家海洋公園、海運路線、微波通道、軍事區(qū)域等之外，距離海岸線7到40千米，使岸上的視覺影響降到最低。最近，對風機基礎深入的研究表明，在15米水深處安裝風機比較經(jīng)濟，這意味著丹麥海域選擇的風電場潛藏容量達16吉瓦。
二、風機的海上基礎
海上風能面臨的問題主要是削減投資：海底電纜的使用和風機基礎的構建使海上風能開發(fā)投資巨大。然而，風機基礎技術，以及兆瓦級風機的新研究至少使水深在15米(50英尺)的淺水風場和陸地風場可以一爭高下。總的說來，海上風機比鄰近陸地風場風機的輸出要高出50%，所以，海上風機更具吸引力。
1.較混凝土便宜的鋼材
丹麥的兩個電力集團公司和三個工程公司于1996～1997年間首先開始對海上風機基礎的設計和投資進行了研究，在報告中提出，對于較大海上風電場的風機基礎，鋼結(jié)構比混凝土結(jié)構更加適合。所有新技術的應用似乎至少在水深15米或更深的深度下才會帶來經(jīng)濟效益。無論如何，在較深的水中建風場其邊際成本要比先前預算的要少一點。
對于1.5兆瓦的風機，其風機基礎和并網(wǎng)投資僅比丹麥Vindeby和Tunoe Knob海上風電場450～500千瓦風機相應的投資高出10%到20%，這就是以上所述的經(jīng)濟概念。
2.設計壽命
與大多數(shù)人們的認識相反，鋼結(jié)構腐蝕并不是主要關注的問題。海上石油鉆塔的經(jīng)驗表明陰極防腐措施可以有效防止鋼結(jié)構的腐蝕。海上風機表面保護(涂顏料)一般都采取較陸地風機防腐保護級別高的防護措施。石油鉆塔的基礎一般能夠維持50年，也就是其鋼結(jié)構基礎設計的壽命。
3.參考風機
在防腐研究中，采用了一臺現(xiàn)代的1.5兆瓦三葉片上風向風機，其輪轂高度大約為55米(180英尺)，轉(zhuǎn)子直徑為64米(210英尺)。
這臺風機的輪轂高度相比陸地風機要偏低一些。在德國北部，一臺典型的1.5兆瓦風機輪轂高度大約為60～80米(200到260英尺)。
由于水面十分光滑，海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，因而風切變(即風速隨高度的變化)小，不需要很高的塔架，可降低風電機組成本。另外海上風的湍流強度低，海面與其上面的空氣溫度差比陸地表面與其上面的空氣溫差小，又沒有復雜地形對氣流的影響，作用在風電機組上的疲勞載荷減少，可延長使用壽命，所以使用較低的風塔比較合算。
4.海上基礎類型
(1)常用的混凝土基礎
丹麥的第一個引航工程采用混凝土引力沉箱基礎。顧名思義，引力基礎主要依靠地球引力使渦輪機保持在垂直的位置。
Vindeby和Tunoe Knob海上風電場基礎就采用了這種傳統(tǒng)技術。在這兩個風場附近的碼頭用鋼筋混凝土將沉箱基礎建起來，然后使其漂到安裝位置，并用沙礫裝滿以獲得必要的重量，繼而將其沉人海底，這個原理更像傳統(tǒng)的橋梁建筑。
兩個風場的基礎呈圓錐形，可以起到攔截海上浮冰的作用。這項工作很有必要，因為在寒冷的冬天，在波羅的海和卡特加特海峽可以一覽無遺地看到堅硬的冰塊。
在混凝土基礎技術中，整個基礎的投資大約與水深的平方成比例。Vindeby和Tunoe Knob的水深變化范圍在2.5～7.5米之間，說明每個混凝土基礎的平均重量為1050噸。根據(jù)這個二次方規(guī)則，在水深10米以上的這些混凝土平臺，因受其重量和投資的限制，混凝土基礎往往被禁止采用。因此，為了突破這種投資障礙，有必要發(fā)展新的技術。
(2)重力+鋼筋基礎
現(xiàn)有的大多數(shù)海上風電場采用重力基礎，新技術提供了一種類似于鋼筋混凝土重力沉箱的方法。該方法用圓柱鋼管取代鋼筋混凝土，將其嵌入到海床的扁鋼箱里。
(3)單樁基礎
單樁是一種簡單的結(jié)構，由一個直徑在3.5米到4.5米之間的鋼樁構成。鋼樁安裝在海床下10米到20米的地方，其深度由海床地面的類型決定。單樁基礎有力地將風塔伸到水下及海床內(nèi)。這種基礎一個重要的優(yōu)點是不需整理海床。但是，它需要重型打樁設備，而且對于海床內(nèi)有很多大漂石的位置采用這種基礎類型不太適合。如果在打樁過程中遇到一塊大漂石，一般可能在石頭上鉆孔，然后用爆破物將之炸開，繼而打成小石頭。
(4)三腳架基礎
三腳架基礎吸取了石油工業(yè)中的一些經(jīng)驗，采用了重量輕價格合算的三腳鋼套管。
風塔下面的鋼樁分布著一些鋼架，這些框架分掉了塔架對于三個鋼樁的壓力。由于土壤條件和冰凍負荷，這三個鋼樁被埋置于海床下10～20米的地方。
三、海上風電場的并網(wǎng)
1.電網(wǎng)
丹麥輸電網(wǎng)1998年總發(fā)電量共計10吉瓦。在建或未建的海上風電場共計4.1吉瓦。丹麥西部和東部電網(wǎng)沒有直接并網(wǎng)，而是采用AC(交流輸電線)方式并入德國和瑞典的輸電系統(tǒng)。其它風電場與瑞典、挪威和德國的聯(lián)網(wǎng)方式采用直流方式。
海上風電場的并網(wǎng)本身并不是一個主要技術問題，該技術人所共知。但是為確保經(jīng)濟合理性，對偏遠海上風電場的并網(wǎng)技術進行優(yōu)化非常重要。
丹麥第一批商用海上風電場位于距離海岸15～40千米的海域，水深5～10或15米，風電場裝機在120到150兆瓦之間。第一批風電場(2002年)使用1.5兆瓦的風力發(fā)電機，該機型需在陸地上試運行5年。
2.敷設海底電纜
海上風電場通過敷設海底電纜與主電網(wǎng)并聯(lián)，此種技術眾所周知。為了減少由于捕魚工具、錨等對海底電纜造成破壞的風險，海底電纜必須埋起來。如果底部條件允許的話，用水沖海床(使用高壓噴水)，然后使電纜置人海床而不是將電纜掘進或投入海床，這樣做是最經(jīng)濟的。
3.電壓
丹麥規(guī)劃的120-150兆瓦的大風電場可能與30～33千伏的電壓等級相聯(lián)。每個風電場中，會有一個30～150千伏變電站的平臺和許多維修設備。與大陸的聯(lián)結(jié)采用150千伏電壓等級。
4.無功功率，高壓直流輸電
無功功率和交流電相位改變相關，相位的改變使能量通過電網(wǎng)傳輸更加困難。海底電纜有一個大電容，它有助于為風電場提供無功功率。這種在系統(tǒng)中建立可能是最佳的可變無功功率補償方式?jīng)Q定于準確的電網(wǎng)配置。如果風電場距離主電網(wǎng)很遠，高壓直流輸電(HVDC)聯(lián)網(wǎng)也是一個可取的方法。
5.遠程監(jiān)控
顯然，海上風電場遠程監(jiān)控要比陸地遠程監(jiān)控更重要一些，Tunoe Knob和Vindeby海上風電場采用遠程監(jiān)控已達數(shù)年。
人們預測這些風電場用1.5兆瓦的大機組，在每件設備上安裝一些特別的傳感器，以用來連續(xù)地分析傳感器在設備磨損后改變工作模式而產(chǎn)生的細微振動，這樣可能會帶來一定的經(jīng)濟效益。同樣地，為了確保機器得到適當?shù)臋z修，工業(yè)中一些產(chǎn)業(yè)也需要對這項技術非常了解。
6.定期檢修
在天氣條件比較惡劣的情況下，維修人員很難接近風機，風機得不到正常檢修和維護，造成安全隱患。所以，確保海上風機高可靠性顯得尤其重要。對于一些偏遠的海上風電場，應合理設計風機的定期檢修程序。
四、前景
海上風電場的發(fā)電成本與經(jīng)濟規(guī)模有關，包括海上風電機的單機容量和每個風電場機組的臺數(shù)。鋪設150兆瓦海上風電場用的海底電纜與100兆瓦的差不多，機組的大規(guī)模生產(chǎn)和采用鋼結(jié)構基礎可降低成本。目前海上風電場的最佳規(guī)模為120～150兆瓦。在海上風電場的總投資中，風電機組占51%、基礎16%、電氣接入系統(tǒng)19%、其它14%。
丹麥電力公司對海上風電場發(fā)電成本的研究表明，用IEA(國際能源局)標準方法，目前的技術水平和20年設計壽命，估測的發(fā)電成本是每千瓦時0.36丹麥克朗(0.05美元或人民幣0.42元)。如果壽命按25年計，還可減少9%。
歐洲一些國家都為海上風電場的發(fā)展進行了規(guī)劃。從長遠看，荷蘭的目標是到2020年風電裝機2.75吉瓦，其中1.25吉瓦安裝在北海大陸架區(qū)域。近期計劃主要是建設商業(yè)性示范工程，在2005年前丹麥擬開工興建5個海上風電場，每個規(guī)模約150兆瓦，加上其它已建項目累計約750兆瓦。荷蘭計劃先建100兆瓦的示范項目，選在Egmond ann Zee岸外12海里處，采用1.5兆瓦或2.0兆瓦的機組。德國的計劃包括"SKY2000"項目，規(guī)模100兆瓦，距離Lubeck灣15千米的波羅的海中；400兆瓦項目在距離Helgloand島17千米的北海，最終規(guī)模將達到1.2吉瓦，采用單機容量4兆瓦或5兆瓦機組。此外，愛爾蘭和比利時分別有250兆瓦和150兆瓦的海上風電場計劃。
海上豐富的風能資源和當今技術的可行性，預示著將成為一個迅速發(fā)展的市場，風電設備產(chǎn)業(yè)將是一個經(jīng)濟增長點。歐洲海上風電場2010年后將會大規(guī)模開發(fā)，中國作為發(fā)展中國家，應跟蹤海上風電技術的發(fā)展，因為中國也有豐富的海上風能資源。中國東部沿海水深2-15米的海域面積遼闊，按照與陸上風能資源同樣的方法估測，10米高度可利用的風能資源約是陸上的3倍，即700吉瓦，而且距離電力負荷中心很近，隨著海上風電場技術的發(fā)展成熟，經(jīng)濟上可行，將來必然會成為重要的可持續(xù)能源。
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