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欧洲近海风能——最新技术回顾

Andrew R. Henderson,lowast; Delft University of Technology, Delft, The Netherlands

Colin Morgan, Garrad Hassan and Partners Ltd, Bristol, UK

Bernie Smith, John Brown Hydrocarbons Ltd, London, UK

Hans C. Soslash;rensen, Energi amp; Miljoe Undersoegelser (EMU), Copenhagen, Denmark

Rebecca J. Barthelmie, Risoslash; National Laboratory, Roskilde, Denmark

Bart Boesmans, Tractebel Energy Engineering, Brussels, Belgium

摘要

经过几十年的理论研究和初步研究以及风力涡轮实验机和风场样机的开发，第一台大型商用近海风场被建立起来了。为了支持并加速这一项目的发展，欧洲委员会资助了一个项目“欧洲海上风能协同行动”（CAOWEE），该项目旨在收集，评估，综合和分配海上风能的方面知识，包括海上技术，电气集成，经济，环境影响和政治方面。合作伙伴来自各个领域，包括开发人员，公用事业，顾问，研究机构和大学。本文报告了该项目的最终结论，完整的报告可从以下网址在线获得：http//www.offshorewindenergy.org。版权所有copy;2003 JohnWiley＆Sons，Ltd

关键词：海上风能；海上风机

介绍

海上风电场有望在不久的将来成为重要的能源：预计到本十年末，欧洲海上将安装总容量达数千兆瓦的风电场。这将相当于几个大型的传统燃煤发电厂。目前正在为在瑞典，丹麦，德国，荷兰，比利时，英国和爱尔兰水域的此类大型风电场进行计划，目前正在丹麦西部沿海的Horns Rev和属于丹麦波罗的海海岸一部分的Roslash;dsand建立首个此类风电场。

在过去的十年中，陆上风能已取得了巨大的发展，在某些地区（例如丹麦，德国的石勒苏益格-荷尔斯泰因州和瑞典的哥得兰岛），陆上风能的发电量占总发电量的10％以上。但是，这种扩展并非没有问题。自1990年代中期以来，一些公众对英国风电场发展的抵制和规划程序已经在其他几个国家中表现出来。解决此问题的一种方法是将开发项目移至海外，这避免了土地使用纠纷，并大大减少了噪音和视觉影响。除此外还有许多其他优点：

• 提供适合大型项目的连续区域；
• 更高的风速，通常随离海岸的距离而增加（英国是一个例外，因为山丘上的加速因子意味着有最佳风能的地方同时是涡轮机最明显的地方）；
• 湍流更小，这使涡轮机可以更有效地收集可用能量并减少涡轮机上的疲劳负荷；
• 较低的风切变（即靠近地面的风速较慢的边界层较薄），因此可以使用较短的塔架。

与这些优势相对的是非常重要的劣势，即需要额外的资本投资，这涉及以下方面：

• 更昂贵的海洋基金会；
• 与电网的集成成本更高，在某些情况下，沿海薄弱电网的容量有必要增加；
• 由于天气条件，安装程序更加昂贵，并且施工期间的出入受到限制；
• 操作期间运行维护受到限制，这会造成涡轮机可用性降低以及输出功率降低的额外损失。

但是，风力涡轮机的成本正在下降，并且有望在未来十年内继续下降。一旦在海上工程建设方面获得了足够的经验，海上建筑行业就很可能会节省类似的成本。在风速良好的地区，与常规发电相比，陆上风能已成为一种价格稳定、具有成本竞争力的资源，尤其是在考虑到环境效益的情况下。在过去的十年中，事实证明，燃气CCGT发电机是新建工厂中最具成本效益的动力来源。然而，许多新发电站对天然气的需求增加，加剧了燃料价格的波动性，最近的一项研究得出结论，为固定未来10年的价格，应支付0.50 US ￠/ kWh的溢价^[1]。

海上风能似乎也有可能在时间上具有竞争力。其他可能支持这种趋势的发展是针对海上环境优化的涡轮机的设计，其尺寸更大（最终可能高达10 MW，最终风轮直径超过125 m），并且内置有更高的可靠性。目前，最大的生产机器的发电能力为2.5MW，但是现在正在构建功率输出功率高达5 MW的机器原型，并且正常来说将在几年后进行全面批量生产，这十年的中期应该允许开发人员在几台竞争机器之间选择。在过去的十年中，风力涡轮机制造行业一直在遵循自己的指数增长曲线，将成本降低20％，将年装机容量提高50％，并且每三年左右将最大的商用涡轮机的尺寸增加一倍。

离岸可用的风能资源总量巨大，并且肯定能够以经济的方式满足我们电力需求的很大一部分。Garrad Hassan / Germanischer Lloyd^[2]以及为Future^[3]工作的EWEA / Forum的较早研究得出的结论是，欧洲的大部分电力可以通过海上风力涡轮机提供。

今天的海上风能

目前，陆地上的总装机容量约为24 GW，并且在过去几年中，年安装率已超过每年4 GW。目前，国际上正在安装的涡轮机的平均额定功率接近每台1兆瓦（图1）。随着由此产生的规模经济的发展，风能发电现在可以在风力资源丰富的地区与传统发电（例如煤炭和核能）在价格上构成强有力的竞争。

图1. 尺寸和安装趋势（http://www.britishwindenergy.co.uk）

尽管建设大型海上风电场的挑战将是巨大的，许多与涡轮机有关的问题以前都被陆上和沿海工程行业在陆地上遇到过，而且与支撑结构有关。关键是要知道如何集成这两种技术，因为每个工程分支都容易低估另一个分支的复杂性。实际上，从有益和有害的角度来看，组合并不总是等于零件的总和，因此很可能会失去节省成本的机会，并且在施工和运营过程中可能会遇到意想不到的问题。现在，当海上风能有机会在价格上与传统能源竞争时，避免不必要的成本尤为重要。

近海风能技术

当前的海上项目中使用的风力涡轮机以往是为土地利用而设计的，但其经过了修改，例如更大的发电机，更高的仪表规格和组件冗余，尤其是电气系统，请参见表I。如果市场按预期的那样扩张，为优化海外性能而设计的机器将被开发和利用，但不确定它们的外观如何。一方面，海上机器的要求不同于陆地上的要求，但是，对高可靠性的要求仍然建议使用久经考验的涡轮机。上述修改可能包括：

• 更大的机器，最大可达5或10 MW；
• 旋转速度比陆地上的旋转速度要快，在陆地上，对噪音的限制通常意味着涡轮机的运转将略低于最佳速度；
• 较大的发电机，用于特定的转子尺寸，以便能够有效地收集额外的可用能量；
• 产生高压，也可以用直流代替交流；

表I. 近海和陆地风机的叶尖速度比较趋势

• 从长远来看，创新的风力涡轮机结构可能成为一种选择，但需要工程努力来实现理论潜力。

以下是关于海上风力涡轮机技术的完整报告的一些主要发现和结论，重点是确定预期的技术趋势。

风力发电机的尺寸

海上应用的风机转子直径和额定功率不断增加；其关系如图2所示。目前可用的最大商用风机的转子直径范围为65–80 m，额定功率输出为1.5~2.5 MW。新机原型正在开发中，其最大数值分别为120 m和5 MW。看起来，目前最大的机器（特别是为离岸市场提供）使用的叶尖速度明显高于岸上的机器。其典型的增加幅度在10％到35％之间，导致叶尖速度高达80 m/s，如表I所示。增加的叶尖速度可减小扭矩，降低质量，从而降低塔顶系统的成本。

费用

在设计风格，技术进步状况和设计规范具有真正相似性的条件下，大型涡轮机的成本可能会随转子直径而成比例增加。考虑到机器尺寸范围内的历史数据，正在进行的技术开发导致比例更接近平方律，而不是三次律。陆上机器的价格数据显示，对于直径为40 m及更大的转子，单位成本（每m²扫掠面积）呈缓慢上升的趋势（图3），尽管这在一定程度上反映了更小的涡轮机一般更早在市场上出现的事实，并且由于先前已收回开发成本，因此可以降低售价。尽管在岸上的船用化设计通常会增加10％的成本，但目前可用的离岸专用机器现在的成本曲线要比其在岸上的前代机器低。

叶片技术

对高强度低固度叶片的需求以及碳纤维成本的降低可能会推动行业向环氧碳的方向发展。碳价正在下降，如果大量使用在海上机械的叶片，那么对碳价来说这将成为高质量碳纤维的最大市场，从而进一步降低成本。

图2. 叶片直径与额定输出功率之间的关系

图3. 单位扫掠面积成本与额定功率之间的关系

变速齿轮箱

目前尚不清当前的齿轮箱概念（三级单元，输入级行星齿轮，两个与螺旋齿轮平行的较高速级）是否适用于大型海上涡轮机，因为对于大型机器（即gt; 3 MW），其很可能需要一个额外的变速齿轮箱级，从而增加复杂性和故障可能性。这可能是直接驱动系统的重要驱动力。

变速设计

有一种变速设计的趋势。大范围变速还有一个优点，那就是可以避免破坏性共振，这对海上风机涡轮结构来说很重要，因为在海上风机涡轮结构中，共振频率很难准确预测，而且在整个结构寿命期间也可能发生变化。电力电子转换器能否以合适的成本制造出足够可靠的产品，目前还不太清楚。

支持结构

目前，风电场在水深不超过20 m时的设计理念基于单桩，但优先考虑重力基础结构的最浅水域（不超过5 m）除外（图4）。安装方法（驱动，钻孔或组合）将取决于土壤性质和水深。对于较深的水域，设计者正在考虑使用三脚架支撑结构，但最佳解决方案尚不确定，这很可能是近海和沿海工程专家目前正在考虑的一个概念。在成本方面，浮动支撑结构仍然是一个挑战，但是如果但如果日本等浅水地区面积较小的国家也要大量开发海上风能，就需要解决这一问题^[4]。

图4. 支撑结构类型：单桩，三脚架式和重力基座结构

运行及维护（Oamp;M）

海上风电场的运维比同等的陆上风电场更加困难和昂贵。当前商业海上风力涡轮机的可靠性和故障模式使得“不维护”策略不可行。改进的预防性和纠正性维护计划对于海上风电的经济开发至关重要。特别是，提高可访问性是提高可用性的关键因素^[5]。当前的许多项目正在尝试解决改善海上风力涡轮机设施的出入问题，其中大多数集中在怎样维护现有船舶的问题上，着重于解决运动补偿问题或将船舶从水上完全移出水中的问题。为方便人员安全出入，建议改善OWECS的底座，包括固定平台，柔性舷梯，在运输过程中船舶保持向前推力的摩擦柱，船舶起重设施以及人员和设备的绞车/吊网（无需专门的起重船来更换主要零件）。

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