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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�？偟恼f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，鋼結構比混凝土結構更加適合。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濟概念。
2.設計壽命
與大多數(shù)人們的認識相反，鋼結構腐蝕并不是主要關注的問題。海上石油鉆塔的經驗表明陰極防腐措施可以有效防止鋼結構的腐蝕。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。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
1.電網
丹麥輸電網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沒有直接并網，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)網方式采用直流方式。
海上風電場的并網本身并不是一個主要技術問題，該技術人所共知。但是為確保經濟合理性，對偏遠海上風電場的并網技術進行優(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決定于準確的電網配置。如果風電場距離主電網很遠，高壓直流輸電(HVDC)聯(lián)網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生的細微振動，這樣可能會帶來一定的經濟效益。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)模生產和采用鋼結構基礎可降低成本。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，風電設備產業(yè)將是一個經濟增長點。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，經濟上可行，將來必然會成為重要的可持續(xù)能源。
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