我国海上风电发展现状和趋势分析

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  摘要:我国海上风电资源丰富,发展潜力巨大,前景广阔。经过近些年的迅速发展我国海上风电突飞猛进,截止2017年底我国海上风电累计装机容量达到279万千瓦,跃居全球第三。但是我国海域辽阔,南北差异巨大,发展还存在基础资料薄弱、标准体系不健全、前期开发周期长难度大、风机未能完全国产化、开发成本高,面临技术风险等困局。随着我国海上风电竞价时代的来临和技术创新的不断投入,国家将不断建立、健全各项标准体系和制度,我国海上风电将呈现综合实力全面提升、布局更为合理、平价上网的局面。
  关键词:海上风电;发展现状;趋势
  我国拥有发展海上风电的天然优势,海岸线长达1.8万公里,可利用海域面积300多万平方公里,海上风能资源丰富。根据中国气象局风能资源详查初步成果,我国5~25米水深、50米高度海上风电开发潜力约2亿千瓦,5~50米水深、70米高度海上风电开发潜力约5亿千瓦,我国大部分近海90 米高度海域平均风速6.5~8.5m/s,尤其是东南沿海及其岛屿,风能密度在300W/m2以上,有效风力出现时间百分率达80%-90%。可见,在全球高度关注发展低碳经济的环境下,海上风电是我国发电行业未来发展的主要方向[1]。
  1我国海上风电发展现状
  1.1我国海上风电近些年发展总体情况
  经过近些年的发展,我国海上风电突飞猛进,2013年以来,国内海上风电年装机量平均增速接近100%。截止到2016年底,我国海上风电新增装机(吊装量)154台,容量达到59万千瓦,比上年增长64%,总装机规模上,由2010年15万千瓦增长至2016年的163万千瓦,占全球装机量的11%,取代了丹麦,位列全球第三位[2],仅次于英国和德国。2017年新增装机容量高达116万千瓦,同比增长197%,累计装机容量达到279万千瓦,同时2017年海上风电招标量大幅增长,招标规模达到340万千瓦,较2016年同期增长了81%,占全国招标量的12.5%。预计2018年国内风电装机量将接近200万千瓦。2010~2017年海上风电新增和累计装机容量如图所示:
  1.2我国海上风电的区域发展状况
  截止2017年底,我國已有9个省市开发了海上风电项目,各省市截止2017年底累计装机容量如图2 所示,其中河北和浙江两省为2017年首次开发建设海上风电场;2017年核准海上风电项目14个[3],共计406.5万千瓦装机规模,其中,广东省5个,浙江省4个,福建省3个,江苏省1个,河北省1个;2017年开工在建的海上风电项目共计14个(不包含2016年开工2017年在建的项目),总装机规模398.5万千瓦,其中,广东省5个,江苏省3个,福建省3个,河北省2个,辽宁省1个,从地区分布上来看,仍是广东最多,福建、江苏次之。
  1.3四大省份风资源情况和发展概况[4,5]
  广东省,粤东地区近海70m年平均风速达8.0m/s;粤中到粤西6.4 m/s -8.0 m/s,东部年平均风功率密度400-450 W/m2,中西部近海350-400 W/m2。按照广东省2018年4月发布的《广东省海上风电发展规划(2017~2030年)(修编)》,广东省规划海上风电场址23个,总装机容量6685万千瓦。到2020年底,开工建设海上风电装机容量1200万千瓦以上,其中建成投产200万千瓦以上,2030年底,建成投产海上风电装机容量约3000万千瓦。2018年初,广东省有16项海上风电重点建设项目,目前有6个在建,总装机容量162万千瓦。其中,珠海桂山海上风电项目已安装完成19台风机,预计年底整体投产;其他项目也处于开工试桩阶段,预计年内还将核准开工10个以上海上风电场。
  江苏省,潮间带和近海海域80m年平均风速在7.5m/s左右;近海部分海域80m年平均风速超过7.5m/s,接近8.0m/s,年平均风功率密度350-400 W/m2,其风能资源储量约为3469万千瓦,为国家9个千万千瓦级风电基地之一。截至2017年年底,江苏省海上风电装机规模200多万千瓦,居全国首位。根据《江苏省“十三五”能源发展规划》,将着力推动《全国海上风电开发建设方案(2014~2016)》确定的18个项目共348.97万千瓦的前期工作,重点推进射阳、滨海、大丰、响水、东台、如东、灌云等项目建设,到2020年,海上风电累计并网350万千瓦。
  浙江省,杭州湾海域90m年平均风速约7.2m/s左右;宁波象山及舟山南部海域年平均风速约7.6m/s以上;台州及温州近海年平均风速约在7.2 m/s以上;0~50米水深海域海上风电技术可开发量达1515万千瓦。但是,浙江省海上风电总体推进较慢,2017年舟山普陀6号海上风电首台机组并网发电实现浙江省海上风电零的突破。同年,嘉兴1号(30万千瓦)、嘉兴2号(40万千瓦)、岱山4号(22万千瓦)、玉环1号(30万千瓦)共122万千瓦规模海上风电获得核准。此外,舟山、宁波、温州等地均在部署嵊泗、象山、洞头等海上风电的前期工作。根据《浙江省能源发展“十三五”规划》,浙江省拟开展200万千瓦的预备项目前期工作。
  福建省,江口以南到厦门湾以北的广大海域,包括海坛海峡、兴化湾、湄洲湾、泉州湾等海域海峡及区域内的半岛与岛屿,70m年平均风速在8.0m/s-10.0m/s,年平均风功率密度600-1000 W/m2,平均超过700 W/m2;闽东沿海海域,包括沙埕湾、三都湾和东冲半岛等,70m年平均风速在6.5m/s-8.0m/s,年平均风功率密度300-600 W/m2,由北往南逐渐增大,平均在400 W/m2左右;厦门湾以南海域,70m年平均风速在7.0m/s-8.0m/s,年平均风功率密度400-600 W/m2,由北往南逐渐减小,平均在500 W/m2左右;整个福建省水深0~5米海域有622万千瓦,水深5~20米海域有2140万千瓦,水深20~50米海域有9532万千瓦,其中水深20米以内近海风能总量约为2740万千瓦,按等效负荷3000小时计,理论年发电量约为822亿千瓦时。截止2017年底,国家能源局正式批复同意福建省规划建设17个海上风电场、总规模达1330万千瓦。根据《福建省“十三五”能源发展专项规划》,福建省十三五将建成海上风电200万千瓦以上,重点推进莆田平海湾、福州兴化湾、平潭岛周边等资源较好地区的海上风电项目开发。   2.我国海上风电发展的困局
  2.1南北差异大,基础资料薄弱
  我国海域辽阔,海洋水文测量、海底地质勘察较为薄弱[5,6,9]。地质和水文条件南北差异较大,比如北方区域要考虑冰冻工况,南方区域要考虑抗台风问题[9],特别是南北地质条件存在很大差异,尤其是有些区域同一个风场都要进行多个机型的差异化设计,并需要针对不同地址和水文、气象条件进行相关专题研究。另外,我国海上风能资源评价工作还未系统开展,我国对近海风能资源探测不够[5,6,9],导致海上风电项目前期工作准备不足。虽然相关部门已经根据观测、卫星资料等可利用数据对近海风能资源进行了初步评估,但不确定性很大,还需要加强实地测风工作。
  2.2 标准体系有待完善,风机成本高
  目前我国海上风电相关配套产业服务体系尚不健全,产业链还不够成熟,还未形成完善的技术标准体系和标准的规程规范,海上风电面临技术风险和成本方面的控制。在关键设备研制上,我国与国外先进水平仍有较大的差距,如叶片、轴承、机组电力电阻等元器件事实上并未真正实现国产化,离岸变电站和海底电缆技术等级也较低,海上风电运行经验缺乏,运维领域技术标准空白,降低风机制造成本的核心技术并未突破。
  2.3面临技术风险
  海上风电要求单机容量更大,对风电机组防腐蚀等要求也更为严格,质量问题尤为重要,我国5MW和6MW级的大容量机组在制造方面还处于少量试运行阶段,对大容量主机检验时间短,可靠性有待进一步验证。建设阶段也需要更大吨位的船舶,具备建设能力的参与方数量有限、市场容量有限、设计过程也较为复杂和漫长等。
  3我国海上风电发展的趋势
  3.1技术不断创新,海上风电实力全面提升
  风机机组方面,随着深远海基础设计能力提升和叶片制造技术以及传动系统性能的提高,风电机组将向更大容量发展[7],预计到本世纪20年代,单机容量为10MW的海上风机将会投入商业化应用,到30年代,单机容量为15MW的机组将能够面市,并且风机核心部件将逐步实现真正国产化,大大降低风电机组造价。海域使用方面,因为深远海范围更广,风能资源更丰富,风速更稳定,也不会与海上渔场、航线等发生冲突,海上风电势必会向深远海发展[8],我国目前已积极开展深远海关键技术研究,来推动深远海项目示范建设。风机基础方面,由于漂浮式基础能让风机摆脱不同海床条件的束缚,使基础的设计标准化,最大限度地减少海上作业和降低工程造价,同时它将具有良好的机动性,在需要维修或是躲避台风时,可以轻易地解除固定的锚索返回港口,漂浮式基础将为未来海上风电基础的主流型式。输电环节[2,9],交流输电会受到输送距离的限制,随着大规模深远海风电的开发,由于直流输电可以大幅减少线路传输损耗,将成为海上风电远距离送出的发展方向,特别是可自动调整电压、频率、功率的柔性高压直流(VSC-HVDC)将具备经济优势,高压直流变电站互联也是建设高压交流超级电网的第一要素。安装船方面[11,12],将向适用水深越来越大,主吊能力、主甲板可利用面积、主甲板承载能力越来越大,功能愈发完善、吊装便捷化、一船多用和增设膳宿等多功能方向发展;运输船方面[12],由于叶片、机舱、基础和塔筒等部件的专门运输船的需求愈来愈大,滚装船和传统运输船也將借着海上风电行业的发展迎来新的春天;运维方面,将向高效、节能、舒适的方向发展[12],并结合愈加发达的大数据技术建立规范化平台,形成全生命周期服务理念和云数据智慧运维的格局,推动海上风电技术向规范化、科学化、推动化、智能化和预防性的方向发展。基础设计方面,将向基础结构和风机一体化设计的方向发展[13],这包含一体化建模、一体化载荷分析、一体化结构校核,显著提升结构材料利用率和安全设计指标。
  3.2布局更为合理
  除深远海海域风力资源丰富具备开发大容量风机的潜力外,为了海洋生态和谐,海上风电的重心将从浅水区向深水区转移,在不断重视产业规模效应的同时将坚持绿色可持续发展理念,未来海上风电规划将着重从生态与资源方面考虑产业布局,减少在近海滩涂和海域水深较浅海域的布局,尤其是海洋保护区和重要渔业区等海域。在生态文明的要求下循序渐进,其未来的布局将更为合理。
  3.3国家将不断建立、健全各项标准体系
  国家将进一步明确海上风电审批的主体责任机构,简化项目开发流程,理顺部门关系,加强工作协调,制定海上风电开发建设管理办法,不断完善海上风电标准体系、检测认证、评估和信息监测体系,加快海缆标准等重要技术标准的落地,在对海上风电项目严格把关的同时,提高审批效率降低海上风电项目前期开发的时间和金钱成本。
  4结语
  我国海上风电资源丰富,发展潜力巨大,前景广阔。进一步完善支持海上风电发展的各项政策措施,加大海上风电相关技术的研发投入,推进国家级风电机组检测认证,提高大容量风电机组制造与研发,建立健全上下游产业链,不断完善国家及省级海上风电发展规划,加快已建近海海上风电场项目的后评估及相关标准制定,加强政府部门、设备制造商、开发商及设计、施工单位的统筹协调,不断优化统一行业相关标准,保障消纳市场,将推动海上风电竞争力的显著提高和海上风电平价上网。
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  作者简介:
  刘子涵,男,1991年9月,河南驻马店人,工学硕士,助理工程师,主要从事海上风电场的风能风资源规划和项目前期开发管理。
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