海上風(fēng)力發(fā)電
【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。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)電量將占全國總發(fā)電量的50%,與此對照一下,1998年年中,丹麥風(fēng)電總裝機(jī)容量僅為1.1吉瓦。
20世紀(jì)70年代石油危機(jī)以后,開始了風(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)能的開發(fā)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,而人們在另外一個(gè)前沿,發(fā)現(xiàn)開發(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。世界上很多國家開始制定計(jì)劃,考慮開發(fā)海上風(fēng)電場。海上風(fēng)電場的風(fēng)速高于陸地風(fēng)電場的風(fēng)速,但海上風(fēng)電場與電網(wǎng)聯(lián)接的成本比陸地風(fēng)電場要高。綜合上述兩個(gè)因素,海上風(fēng)電場的成本和陸地風(fēng)電場基本相同。
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)的競爭對手。
海上風(fēng)電場的開發(fā)主要集中在歐洲和美國。大致可分為五個(gè)不同時(shí)期:
歐洲對國家級(jí)海上風(fēng)電場的資源和技術(shù)進(jìn)行研究(1977~1988年);
·歐洲級(jí)海上風(fēng)電場研究,并開始實(shí)施第一批示范計(jì)劃(1990~1998年);
·中型海上風(fēng)電場(1991~1998年);
·大型海上風(fēng)電場并開發(fā)大型風(fēng)力機(jī)(1999~2005年);
·大型風(fēng)力機(jī)海上風(fēng)電場(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。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)電量將占全國總發(fā)電量的50%,與此對照一下,1998年年中,丹麥風(fēng)電總裝機(jī)容量僅為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(fēng)力發(fā)電場將會(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)申請了750兆瓦海上風(fēng)場的建設(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)電場稍小一點(diǎn)的40兆瓦海上風(fēng)電場。
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)域的理念很簡單:出于對環(huán)境的考慮,委員會(huì)只對那些為數(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,使岸上的視覺影響降到最低。最近,對風(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)場和陸地風(fēng)場可以一爭高下。總的說來,海上風(fēng)機(jī)比鄰近陸地風(fēng)場風(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年間首先開始對海上風(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,對于較大海上風(fēng)電場的風(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)帶來經(jīng)濟(jì)效益。無論如何,在較深的水中建風(fēng)場其邊際成本要比先前預(yù)算的要少一點(diǎn)。
對于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,又沒有復(fù)雜地形對氣流的影響,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)電場基礎(chǔ)就采用了這種傳統(tǒng)技術(shù)。在這兩個(gè)風(fēng)場附近的碼頭用鋼筋混凝土將沉箱基礎(chǔ)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(gè)原理更像傳統(tǒng)的橋梁建筑。
兩個(gè)風(fēng)場的基礎(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)樵诤涞亩欤诓_的海和卡特加特海峽可以一覽無遺地看到堅(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(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)電場共計(jì)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(fēng)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(fēng)電場的并網(wǎng)本身并不是一個(gè)主要技術(shù)問題,該技術(shù)人所共知。但是為確保經(jīng)濟(jì)合理性,對偏遠(yuǎn)海上風(fēng)電場的并網(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)電場位于距離海岸15~40千米的海域,水深5~10或15米,風(fēng)電場裝機(jī)在120到150兆瓦之間。第一批風(fēng)電場(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)電場通過敷設(shè)海底電纜與主電網(wǎng)并聯(lián),此種技術(shù)眾所周知。為了減少由于捕魚工具、錨等對海底電纜造成破壞的風(fēng)險(xiǎn),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(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)電場可能與30~33千伏的電壓等級(jí)相聯(lián)。每個(gè)風(fēng)電場中,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.無功功率,高壓直流輸電
無功功率和交流電相位改變相關(guān),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(gè)大電容,它有助于為風(fēng)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(bǔ)償方式?jīng)Q定于準(zhǔn)確的電網(wǎng)配置。如果風(fēng)電場距離主電網(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)電場采用遠(yuǎn)程監(jiān)控已達(dá)數(shù)年。
人們預(yù)測這些風(fēng)電場用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。對于一些偏遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場,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)電場機(jī)組的臺(tái)數(shù)。鋪設(shè)150兆瓦海上風(fēng)電場用的海底電纜與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)電場的最佳規(guī)模為120~150兆瓦。在海上風(fēng)電場的總投資中,風(fēng)電機(jī)組占51%、基礎(chǔ)16%、電氣接入系統(tǒng)19%、其它14%。
丹麥電力公司對海上風(fēng)電場發(fā)電成本的研究表明,用IEA(國際能源局)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%。
歐洲一些國家都為海上風(fēng)電場的發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃。從長遠(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年前丹麥擬開工興建5個(gè)海上風(fēng)電場,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,愛爾蘭和比利時(shí)分別有250兆瓦和150兆瓦的海上風(fēng)電場計(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,風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)將是一個(gè)經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。歐洲海上風(fēng)電場2010年后將會(huì)大規(guī)模開發(fā),中國作為發(fā)展中國家,應(yīng)跟蹤海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,因?yàn)橹袊灿胸S富的海上風(fēng)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(fēng)能資源同樣的方法估測,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)電場技術(shù)的發(fā)展成熟,經(jīng)濟(jì)上可行,將來必然會(huì)成為重要的可持續(xù)能源。
責(zé)任編輯:電力交易小郭
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