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海上風(fēng)力發(fā)電論文
【摘要】丹麥在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域占有領(lǐng)導(dǎo)地位目前丹麥有世界上最大的海上風(fēng)電場(chǎng)。根據(jù)丹麥政府能源計(jì)劃法案中的第21條，2030年以前海上風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到4吉瓦，加上陸地上的1.5吉瓦，丹麥風(fēng)力發(fā)電量將占全國(guó)總發(fā)電量的50%，與此對(duì)照一下，1998年年中，丹麥風(fēng)電總裝機(jī)容量?jī)H為1.1吉瓦。
20世紀(jì)70年代石油危機(jī)以后，開(kāi)始了風(fēng)能利用的新時(shí)代。在一些地理位置不錯(cuò)的陸地上，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而人們?cè)诹硗庖粋�(gè)前沿，發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性也相當(dāng)不錯(cuò)：海上風(fēng)能。世界上很多國(guó)家開(kāi)始制定計(jì)劃，考慮開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電場(chǎng)。海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速高于陸地風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速，但海上風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)聯(lián)接的成本比陸地風(fēng)電場(chǎng)要高。綜合上述兩個(gè)因素，海上風(fēng)電場(chǎng)的成本和陸地風(fēng)電場(chǎng)基本相同。
兆瓦級(jí)的風(fēng)機(jī)，廉價(jià)的基礎(chǔ)以及關(guān)于海上風(fēng)條件的新知識(shí)更加提高了海上風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性。研究人員和開(kāi)發(fā)者們將向傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)進(jìn)行挑戰(zhàn)，海上風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展成為其它發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)主要集中在歐洲和美國(guó)。大致可分為五個(gè)不同時(shí)期：
歐洲對(duì)國(guó)家級(jí)海上風(fēng)電場(chǎng)的資源和技術(shù)進(jìn)行研究(1977～1988年)；
·歐洲級(jí)海上風(fēng)電場(chǎng)研究，并開(kāi)始實(shí)施第一批示范計(jì)劃(1990～1998年)；
·中型海上風(fēng)電場(chǎng)(1991～1998年)；
·大型海上風(fēng)電場(chǎng)并開(kāi)發(fā)大型風(fēng)力機(jī)(1999～2005年)；
·大型風(fēng)力機(jī)海上風(fēng)電場(chǎng)(2005年以后)。
一、丹麥的風(fēng)力發(fā)電
1.丹麥的第21條計(jì)劃
丹麥在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域占有領(lǐng)導(dǎo)地位目前丹麥有世界上最大的海上風(fēng)電場(chǎng)。根據(jù)丹麥政府能源計(jì)劃法案中的第21條，2030年以前海上風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到4吉瓦，加上陸地上的1.5吉瓦，丹麥風(fēng)力發(fā)電量將占全國(guó)總發(fā)電量的50%，與此對(duì)照一下，1998年年中，丹麥風(fēng)電總裝機(jī)容量?jī)H為1.1吉瓦。
丹麥電力系統(tǒng)中共計(jì)5.5吉瓦的風(fēng)電裝機(jī)意味著風(fēng)力發(fā)電將會(huì)階段性過(guò)量地滿足丹麥電力系統(tǒng)的需求。因而，在未來(lái)，丹麥的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)將會(huì)成為以水電為基礎(chǔ)的斯堪的納維亞電力系統(tǒng)中不可分割的一部分。
丹麥計(jì)劃法案對(duì)4吉瓦的海上風(fēng)電投資共計(jì)480億克郎(約合70億美元)，這將成為世界上風(fēng)電中最大的投資。
2.丹麥海上風(fēng)力發(fā)電時(shí)間表
丹麥電力公司已經(jīng)申請(qǐng)了750兆瓦海上風(fēng)場(chǎng)的建設(shè)計(jì)劃，根據(jù)時(shí)間表，在2027年之前，丹麥風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)4吉瓦，第一階段在2000年建一個(gè)比哥本哈根海岸風(fēng)電場(chǎng)稍小一點(diǎn)的40兆瓦海上風(fēng)電場(chǎng)。
丹麥電力公司給環(huán)境和能源大臣的報(bào)告確定了丹麥海域四個(gè)適合建風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域，其蘊(yùn)藏量達(dá)8吉瓦。選擇這些區(qū)域的理念很簡(jiǎn)單：出于對(duì)環(huán)境的考慮，委員會(huì)只對(duì)那些為數(shù)不多且偏遠(yuǎn)的水深在5～11米之間區(qū)域的容量關(guān)心。所選的這些地區(qū)必須在國(guó)家海洋公園、海運(yùn)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(jué)影響降到最低。最近，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)深入的研究表明，在15米水深處安裝風(fēng)機(jī)比較經(jīng)濟(jì)，這意味著丹麥海域選擇的風(fēng)電場(chǎng)潛藏容量達(dá)16吉瓦。
二、風(fēng)機(jī)的海上基礎(chǔ)
海上風(fēng)能面臨的問(wèn)題主要是削減投資：海底電纜的使用和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的構(gòu)建使海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)投資巨大。然而，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)，以及兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的新研究至少使水深在15米(50英尺)的淺水風(fēng)場(chǎng)和陸地風(fēng)場(chǎng)可以一爭(zhēng)高下�？偟恼f(shuō)來(lái)，海上風(fēng)機(jī)比鄰近陸地風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的輸出要高出50%，所以，海上風(fēng)機(jī)更具吸引力。
1.較混凝土便宜的鋼材
丹麥的兩個(gè)電力集團(tuán)公司和三個(gè)工程公司于1996～1997年間首先開(kāi)始對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和投資進(jìn)行了研究，在報(bào)告中提出，對(duì)于較大海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)更加適合。所有新技術(shù)的應(yīng)用似乎至少在水深15米或更深的深度下才會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。無(wú)論如何，在較深的水中建風(fēng)場(chǎng)其邊際成本要比先前預(yù)算的要少一點(diǎn)。
對(duì)于1.5兆瓦的風(fēng)機(jī)，其風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和并網(wǎng)投資僅比丹麥Vindeby和Tunoe Knob海上風(fēng)電場(chǎng)450～500千瓦風(fēng)機(jī)相應(yīng)的投資高出10%到20%，這就是以上所述的經(jīng)濟(jì)概念。
2.設(shè)計(jì)壽命
與大多數(shù)人們的認(rèn)識(shí)相反，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕并不是主要關(guān)注的問(wèn)題。海上石油鉆塔的經(jīng)驗(yàn)表明陰極防腐措施可以有效防止鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。海上風(fēng)機(jī)表面保護(hù)(涂顏料)一般都采取較陸地風(fēng)機(jī)防腐保護(hù)級(jí)別高的防護(hù)措施。石油鉆塔的基礎(chǔ)一般能夠維持50年，也就是其鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的壽命。
3.參考風(fēng)機(jī)
在防腐研究中，采用了一臺(tái)現(xiàn)代的1.5兆瓦三葉片上風(fēng)向風(fēng)機(jī)，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(tái)風(fēng)機(jī)的輪轂高度相比陸地風(fēng)機(jī)要偏低一些。在德國(guó)北部，一臺(tái)典型的1.5兆瓦風(fēng)機(jī)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(fēng)切變(即風(fēng)速隨高度的變化)小，不需要很高的塔架，可降低風(fēng)電機(jī)組成本。另外海上風(fēng)的湍流強(qiáng)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(méi)有復(fù)雜地形對(duì)氣流的影響，作用在風(fēng)電機(jī)組上的疲勞載荷減少，可延長(zhǎng)使用壽命，所以使用較低的風(fēng)塔比較合算。
4.海上基礎(chǔ)類型
(1)常用的混凝土基礎(chǔ)
丹麥的第一個(gè)引航工程采用混凝土引力沉箱基礎(chǔ)。顧名思義，引力基礎(chǔ)主要依靠地球引力使渦輪機(jī)保持在垂直的位置。
Vindeby和Tunoe Knob海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)就采用了這種傳統(tǒng)技術(shù)。在這兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)附近的碼頭用鋼筋混凝土將沉箱基礎(chǔ)建起來(lái)，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(gè)原理更像傳統(tǒng)的橋梁建筑。
兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)的基礎(chǔ)呈圓錐形，可以起到攔截海上浮冰的作用。這項(xiàng)工作很有必要，因?yàn)樵诤涞亩�，在波羅的海和卡特加特海峽可以一覽無(wú)遺地看到堅(jiān)硬的冰塊。
在混凝土基礎(chǔ)技術(shù)中，整個(gè)基礎(chǔ)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(shuō)明每個(gè)混凝土基礎(chǔ)的平均重量為1050噸。根據(jù)這個(gè)二次方規(guī)則，在水深10米以上的這些混凝土平臺(tái)，因受其重量和投資的限制，混凝土基礎(chǔ)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(shù)。
(2)重力+鋼筋基礎(chǔ)
現(xiàn)有的大多數(shù)海上風(fēng)電場(chǎng)采用重力基礎(chǔ)，新技術(shù)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(chǔ)
單樁是一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，由一個(gè)直徑在3.5米到4.5米之間的鋼樁構(gòu)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(chǔ)有力地將風(fēng)塔伸到水下及海床內(nèi)。這種基礎(chǔ)一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是不需整理海床。但是，它需要重型打樁設(shè)備，而且對(duì)于海床內(nèi)有很多大漂石的位置采用這種基礎(chǔ)類型不太適合。如果在打樁過(guò)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(kāi)，繼而打成小石頭。
(4)三腳架基礎(chǔ)
三腳架基礎(chǔ)吸取了石油工業(yè)中的一些經(jīng)驗(yàn)，采用了重量輕價(jià)格合算的三腳鋼套管。
風(fēng)塔下面的鋼樁分布著一些鋼架，這些框架分掉了塔架對(duì)于三個(gè)鋼樁的壓力。由于土壤條件和冰凍負(fù)荷，這三個(gè)鋼樁被埋置于海床下10～20米的地方。
三、海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)
1.電網(wǎng)
丹麥輸電網(wǎng)1998年總發(fā)電量共計(jì)10吉瓦。在建或未建的海上風(fēng)電場(chǎng)共計(jì)4.1吉瓦。丹麥西部和東部電網(wǎng)沒(méi)有直接并網(wǎng)，而是采用AC(交流輸電線)方式并入德國(guó)和瑞典的輸電系統(tǒng)。其它風(fēng)電場(chǎng)與瑞典、挪威和德國(guó)的聯(lián)網(wǎng)方式采用直流方式。
海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)本身并不是一個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題，該技術(shù)人所共知。但是為確保經(jīng)濟(jì)合理性，對(duì)偏遠(yuǎn)海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化非常重要。
丹麥第一批商用海上風(fēng)電場(chǎng)位于距離海岸15～40千米的海域，水深5～10或15米，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)在120到150兆瓦之間。第一批風(fēng)電場(chǎng)(2002年)使用1.5兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該機(jī)型需在陸地上試運(yùn)行5年。
2.敷設(shè)海底電纜
海上風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)敷設(shè)海底電纜與主電網(wǎng)并聯(lián)，此種技術(shù)眾所周知。為了減少由于捕魚(yú)工具、錨等對(duì)海底電纜造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)，海底電纜必須埋起來(lái)。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(jìn)或投入海床，這樣做是最經(jīng)濟(jì)的。
3.電壓
丹麥規(guī)劃的120-150兆瓦的大風(fēng)電場(chǎng)可能與30～33千伏的電壓等級(jí)相聯(lián)。每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中，會(huì)有一個(gè)30～150千伏變電站的平臺(tái)和許多維修設(shè)備。與大陸的聯(lián)結(jié)采用150千伏電壓等級(jí)。
4.無(wú)功功率，高壓直流輸電
無(wú)功功率和交流電相位改變相關(guān)，相位的改變使能量通過(guò)電網(wǎng)傳輸更加困難。海底電纜有一個(gè)大電容，它有助于為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功功率。這種在系統(tǒng)中建立可能是最佳的可變無(wú)功功率補(bǔ)償方式?jīng)Q定于準(zhǔn)確的電網(wǎng)配置。如果風(fēng)電場(chǎng)距離主電網(wǎng)很遠(yuǎn)，高壓直流輸電(HVDC)聯(lián)網(wǎng)也是一個(gè)可取的方法。
5.遠(yuǎn)程監(jiān)控
顯然，海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控要比陸地遠(yuǎn)程監(jiān)控更重要一些，Tunoe Knob和Vindeby海上風(fēng)電場(chǎng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控已達(dá)數(shù)年。
人們預(yù)測(cè)這些風(fēng)電場(chǎng)用1.5兆瓦的大機(jī)組，在每件設(shè)備上安裝一些特別的傳感器，以用來(lái)連續(xù)地分析傳感器在設(shè)備磨損后改變工作模式而產(chǎn)生的細(xì)微振動(dòng)，這樣可能會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。同樣地，為了確保機(jī)器得到適當(dāng)?shù)臋z修，工業(yè)中一些產(chǎn)業(yè)也需要對(duì)這項(xiàng)技術(shù)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(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)得不到正常檢修和維護(hù)，造成安全隱患。所以，確保海上風(fēng)機(jī)高可靠性顯得尤其重要。對(duì)于一些偏遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場(chǎng)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的定期檢修程序。
四、前景
海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電成本與經(jīng)濟(jì)規(guī)模有關(guān)，包括海上風(fēng)電機(jī)的單機(jī)容量和每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的臺(tái)數(shù)。鋪設(shè)150兆瓦海上風(fēng)電場(chǎng)用的海底電纜與100兆瓦的差不多，機(jī)組的大規(guī)模生產(chǎn)和采用鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)可降低成本。目前海上風(fēng)電場(chǎng)的最佳規(guī)模為120～150兆瓦。在海上風(fēng)電場(chǎng)的總投資中，風(fēng)電機(jī)組占51%、基礎(chǔ)16%、電氣接入系統(tǒng)19%、其它14%。
丹麥電力公司對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電成本的研究表明，用IEA(國(guó)際能源局)標(biāo)準(zhǔn)方法，目前的技術(shù)水平和20年設(shè)計(jì)壽命，估測(cè)的發(fā)電成本是每千瓦時(shí)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(jì)，還可減少9%。
歐洲一些國(guó)家都為海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，荷蘭的目標(biāo)是到2020年風(fēng)電裝機(jī)2.75吉瓦，其中1.25吉瓦安裝在北海大陸架區(qū)域。近期計(jì)劃主要是建設(shè)商業(yè)性示范工程，在2005年前丹麥擬開(kāi)工興建5個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)，每個(gè)規(guī)模約150兆瓦，加上其它已建項(xiàng)目累計(jì)約750兆瓦。荷蘭計(jì)劃先建100兆瓦的示范項(xiàng)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(jī)組。德國(guó)的計(jì)劃包括"SKY2000"項(xiàng)目，規(guī)模100兆瓦，距離Lubeck灣15千米的波羅的海中；400兆瓦項(xiàng)目在距離Helgloand島17千米的北海，最終規(guī)模將達(dá)到1.2吉瓦，采用單機(jī)容量4兆瓦或5兆瓦機(jī)組。此外，愛(ài)爾蘭和比利時(shí)分別有250兆瓦和150兆瓦的海上風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃。
海上豐富的風(fēng)能資源和當(dāng)今技術(shù)的可行性，預(yù)示著將成為一個(gè)迅速發(fā)展的市場(chǎng)，風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)將是一個(gè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)2010年后將會(huì)大規(guī)模開(kāi)發(fā)，中國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，應(yīng)跟蹤海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)橹袊?guó)也有豐富的海上風(fēng)能資源。中國(guó)東部沿海水深2-15米的海域面積遼闊，按照與陸上風(fēng)能資源同樣的方法估測(cè)，10米高度可利用的風(fēng)能資源約是陸上的3倍，即700吉瓦，而且距離電力負(fù)荷中心很近，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟，經(jīng)濟(jì)上可行，將來(lái)必然會(huì)成為重要的可持續(xù)能源。
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