科技前沿速递——走向深蓝的浮式海上风电

近年来，随着极端气候频繁出现以及“碳达峰、碳中和”目标设定，对清洁能源的需求将会成为今后一段时间关注的焦点。而随着潮间带、近海机位逐渐饱和，风电场建设走向深远海已成为必然趋势，由陆向海、由浅到深、由固定基础到浮式平台将成为海上风电的发展趋势。浮式风电将成为继风机大型化之后，海上风电的主要降本方式，根据全球风能理事会预测，2030年全球浮式海上风电累计装机将达到16.5GW，从2026年开始，浮式海上风电将进入新增装机达到GW级商业化阶段。2022年9月15日，美国能源部、内政部、商务部和交通部联合启动了一项“浮式海上风电行动计划”（Floating Offshore Wind Shot），旨在开辟传统底部固定式风力发电装置无法到达的新区域，并推动美国在浮式海上风电设计、开发和制造方面处于领先地位。

1 何为浮式风电？

浮式海上风电技术组成如下：浮式基础支撑上部风机，通过系泊系统与海床相连，关键技术包括风机、基础+系泊、动态电缆、升压换流站等。较为重要的浮式基础即可大致分为单立柱式、半潜式、张力腿式、驳船式等，半潜式大概占50%。

浮式风电的优势主要有以下几点：①拓展海上风电的使用范围，向深海、远洋扩展；②克服海床地质条件问题；③深海的风力更稳定、更强劲；④可以建设更大规模的风场；⑤减少对环境（渔业区、旅游区以及海洋生物）的影响。

浮式风电技术发展方向将围绕着以下几种方式：①风机大型化，可降低度电成本，节约基础、系泊、电缆等投资成本，提高电力可靠性；②通过计算机高精度、全耦合仿真与优化，简化安装方式；③基础新形式、新材料、新工艺应用；④与海上石油天然气实现能源一体化。通过推动海上风电与海洋牧场、海上油气、海水淡化、制氢、储能等多种资源的综合利用和融合发展，提升资源利用效率。⑤建设和运维的智能化、数字孪生技术运用。建立高度仿真的深远海浮式风电机组实时动态模型，实时更新虚拟实体与物理实体的对应关系，以达到模拟、监测、预测等目的。

2  浮式风电研究现状

国外浮式海上风电项目是单机或多机示范项目，如挪威Hywind demo、葡萄牙WindFloat、日本GOTO及Fukushima Forward、法国Floatgen和丹麦Tetraspar等。Hywind Scotland及Wind Float Atlantic、法国的EolMed、Groix&Belle-Ile、Provence Grand Large等为小型阵列的试点项目，对于研究浮式风场尾流、布置、共享系泊等技术问题提供了很好的条件。目前唯一在建的预商业项目是95MW的Hywind Tampen。而我国目前建成投产的浮式海上风电项目有三峡引领号，中国海装扶摇号，但造价均超过3亿元，距离商业化大规模开发仍有较大差距。

挪威Hywind 项目

世界首个海上浮式风力发电机Hywind demo项目于2009年9月由挪威国家石油公司在斯塔万格海湾安装，立柱式基础，并通过三根锚索固定在海下。

挪威Hywind demo项目 资料来源：nhst.tech

在完成demo项目后，2020年10月，挪威国家石油公司Equinor正式开始建造全球首个由浮式风机向石油平台供电的项目Hywind Tampen。项目总装机容量已升级95MW，将为挪威北海Snorre和Gullfaks海上油气作业平台提供每年约35％的电力需求，采用混凝土立柱式（SPAR）下部结构和 Seasystems新型系泊系统。表1分别给出了Hywind demo和Hywind Tampen项目主要设计参数。

表1 Hywind项目参数

日本GOTO和Fukushima Forward项目

2011年，由日本环境省启动的GOTO项目，是亚洲首例全尺寸浮式机组样机，位于日本的长崎县五岛市桦岛（Kabashima）离岸1km、水深91m的海域，今年9月已开始继续建设16.8兆瓦的Goto海上浮式风电场，成为日本首个商业化运营项目，预计于2024年1月投入使用，设计运营寿命20年。

而日本Fukushima Forward 浮式海上风电场是安装浮式样机型式最多的示范项目，位于距离福岛楢叶町沿岸约20km、水深约120m的海域。目前，陆续安装了1台2MW、1台7MW和1台5MW机组，并安装世界上第一个25MVA的浮式海上升压站。表2分别给出了GOTO和Fukushima Forward项目项目主要设计参数。

表2 日本主要浮式风电项目参数

中国三峡引领号和“扶摇”号

2021年7月 “三峡引领号”在广东阳江海上风电场顺利安装，位于南海海域，12月成功并网发电，场址中心离岸距离30公里，基础平台和风电机组根据50年一遇的极端风浪流工况设计，漂浮平台排水量约1.3万吨，该浮式风电机组单机容量5500千瓦，每小时满发电量可达5500度，每年可为3万户家庭提供绿色清洁能源电能。

同年12月10日，由中国海装牵头自主研发的“扶摇号”浮式风电机组浮体平台，在黄埔文冲成功下线，2022年6月5日，扎根南海琼州海峡海域顺利完工，基础平台总长72米、型宽80米、型深33米，塔筒高度78米，浮体和机组总重量超过4000吨，采用三叶片、上风向、变桨变速、三级齿轮箱增速、永磁发电机+全功率变频器的技术路线，具有高发电量、高可靠性、高安全性、高集成性和高可维性等特点。表3分别给出了三峡引领号和扶摇号项目主要设计参数。

扶摇号  资料来源：新华社

表3 中国主要浮式风电项目参数

其他建设中的项目

除上述进入安装运行阶段的样机项目外，近年来，一些新型浮式基础方案也逐步获得示范核准，并即将进入样机安装阶段。例如，丹麦Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司的Tetra spar浮式方案，在2021年12月示范样机已调试完毕，锚定在挪威海岸一处200米水深的地方正式运行，主要采用立柱形态的浮式基础，带有三角形龙骨，适合100-1000+米水深。

2019年4月，西班牙的Saitec宣布其获得200万欧元的欧盟资助用于建造一座1：6的2MW样机SATH（Swinging Around Twin Hull），采用浅吃水双体船浮式方案。SATH属于驳船+单点的形式，由四部分组成：混凝土预制的双船体，桁架支撑结构，单点系泊系统以及系泊系统和外输电缆。

2022年9月，瑞典 SeaTwirl 公司提出一种新的技术方案，浮动垂直轴风力涡轮机，采用的是单柱式基础，但并非简单的单柱式，而是与垂直轴风机一体化设计的旋转单柱式基础。现已与威斯康公司签署协议，在挪威建造和部署一个商业规模的1兆瓦涡轮机S2X 。

早在2017年，德国的GICON公司和美国的Glosten公司就海上平台沉拉腿（海上风力发电机基础）TLP技术的开发达成战略合作关系，于2022年开始建设样机。

几种新型海上风电浮式基础方案示意图

3 相关核心专利摘编

为更好反映浮式海上风电技术的发展，本文摘录了9条该领域的专利文献资料，具体如下：

资料来源：

[1] 李丽旻. 漂浮式海上风电商业化再进一步[N]. 中国能源报,2022-07-11（011）

[2] 王富强,郝军刚,李帅,等. 漂浮式海上风电关键技术与发展趋势[J/OL].水力发电:1-5[2022-09-30]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1845.TV.20220812.1105.002.html

[3] 降本近40%！漂浮式海上风电“朋友圈”要火了！[EB/OL]. （2021-11-23）[2022-09-30]. https://mp.weixin.qq.com/s/EDlrX_aZrxuXSZMBjqmP0A

[4] 一文帮你快速了解——漂浮式风电 [EB/OL]. （2020-09-01）[2022-09-30]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/210454336

[5] 漂浮式海上风电发展概述[EB/OL]. （2020-07-15）[2022-09-30].https://news.bjx.com.cn/html/20200715/1089172.shtml

来源：上海海事大学TISC