王靛、李曉東、查榮鈺、劉曉輝、馬騰

中車(chē)啟航新能源技術(shù)有限公司

1.摘要

全球漂浮式風(fēng)電市場(chǎng)正處于快速發(fā)展階段，我國(guó)在“3060”雙碳目標(biāo)的推動(dòng)下，漂浮式風(fēng)電行業(yè)也迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的機(jī)遇。文章全面介紹了全球漂浮式風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展背景與現(xiàn)狀，指出歐洲已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，而我國(guó)則處于小批量示范應(yīng)用階段;詳細(xì)分析了漂浮式風(fēng)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括漂浮式風(fēng)機(jī)、智能控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、浮體結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)及錨固裝置等子系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和所面臨的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，漂浮式風(fēng)電成本高昂，主要受設(shè)計(jì)施工難度、長(zhǎng)距離輸電需求以及市場(chǎng)規(guī)模等因素影響。為降低成本并推動(dòng)漂浮式風(fēng)電的商業(yè)化進(jìn)程，提出通過(guò)機(jī)組大型化、浮體模塊化等技術(shù)創(chuàng)新提升設(shè)計(jì)仿真能力，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用建造和運(yùn)維設(shè)施，以及探索更大容量的長(zhǎng)距離輸電技術(shù)和新的商業(yè)模式，最終實(shí)現(xiàn)漂浮式風(fēng)電的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：漂浮式風(fēng)力發(fā)電;浮體結(jié)構(gòu);系泊系統(tǒng);長(zhǎng)距離輸電技術(shù)

基金信息：湖南省十大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目(2023GK1030)

2.漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

漂浮式風(fēng)機(jī)(floating offshore wind turbine， FOWT)的概念最早可以追溯到1972年。然而，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和成本限制，這一概念并未能立即進(jìn)行工程化應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著海上風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步和海上風(fēng)電場(chǎng)向更深更遠(yuǎn)海域的拓展，固定式基礎(chǔ)的局限性逐漸顯現(xiàn)。為了克服這些局限性，漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。2009年，由挪威Equinor公司投資，世界上第一臺(tái)漂浮式風(fēng)機(jī)Hywind Demo在挪威海域建成并使用。

2011年，WindFloat 1項(xiàng)目投產(chǎn)，該項(xiàng)目位于葡萄牙Aguçadoura海岸5 km處，采用Vestas V80-2.0 MW風(fēng)機(jī)，是全球第一個(gè)將漂浮式風(fēng)機(jī)與半潛式平臺(tái)相結(jié)合的項(xiàng)目。2017年，全球首個(gè)商業(yè)化漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目——英國(guó)Hywind Pilot Plant投運(yùn)。該項(xiàng)目總裝機(jī)容量為30 MW，所用機(jī)組的單機(jī)容量為6 MW。這一項(xiàng)目的成功運(yùn)行證明了漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)的商業(yè)化潛力，也為后續(xù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2020年7月，WindFloat Atlantic項(xiàng)目在葡萄牙海域?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)。該項(xiàng)目總裝機(jī)容量為25 MW，由3臺(tái)Vestas V164-8.4 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，浮體采用WindFloat半潛式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)高度30 m，立柱間距50 m，通過(guò)一條20 km的電纜與葡萄牙維亞納堡的變電站相連。2023年8月，Hywind Tampen漂浮式風(fēng)電場(chǎng)建成投運(yùn)。該項(xiàng)目由Equinor公司運(yùn)營(yíng)，采用11臺(tái)西門(mén)子歌美颯8.0-167DD風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量88 MW。該項(xiàng)目為Gullfaks-A和Snorre-A兩座油氣平臺(tái)供電，是目前已投產(chǎn)的裝機(jī)容量最大的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)。 綜上，由于起步較早，技術(shù)迭代時(shí)間長(zhǎng)，目前歐洲漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化早期階段。中國(guó)作為世界上最大的風(fēng)能市場(chǎng)之一，對(duì)漂浮式風(fēng)電技術(shù)也給予了高度重視和大力支持。為了推動(dòng)這一技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)家層面出臺(tái)了一系列相關(guān)政策和發(fā)展規(guī)劃。早在2013年，國(guó)家863計(jì)劃就開(kāi)展了針對(duì)漂浮式風(fēng)電的研發(fā)工作，其中，湘電風(fēng)能牽頭開(kāi)展了“基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電機(jī)組局部浮力基礎(chǔ)研制”項(xiàng)目，金風(fēng)科技牽頭開(kāi)展了“浮筒或半潛平臺(tái)式海上風(fēng)電機(jī)組浮動(dòng)基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范”項(xiàng)目。2018年，三峽集團(tuán)成立《浮式海上風(fēng)電平臺(tái)全耦合動(dòng)態(tài)分析及其裝置研發(fā)》專(zhuān)項(xiàng)(即“三峽引領(lǐng)號(hào)”)。該項(xiàng)目于2021年完成樣機(jī)的研制與安裝，成為國(guó)內(nèi)第一臺(tái)真正意義上的漂浮式海上風(fēng)電原型機(jī)，并被定義為首個(gè)國(guó)家級(jí)漂浮式示范項(xiàng)目。

2018年底，由中船海裝牽頭申請(qǐng)的工信部“海上浮式風(fēng)電裝備研制”項(xiàng)目(即“扶搖號(hào)”項(xiàng)目)獲得批復(fù)。該項(xiàng)目于2022年在廣東湛江羅斗沙海域成功安裝。“扶搖號(hào)”項(xiàng)目的成功實(shí)施填補(bǔ)了我國(guó)水深65 m以上深遠(yuǎn)海域漂浮式風(fēng)電裝備研制及應(yīng)用的空白。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了一級(jí)部件100%國(guó)產(chǎn)化，所有元器件級(jí)零件國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)95%，為漂浮式風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的本土化培育打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2023年，“海油觀瀾號(hào)”和“國(guó)能共享號(hào)”相繼完成安裝，這標(biāo)志著我國(guó)在漂浮式風(fēng)電應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的突破。“海油觀瀾號(hào)”由中國(guó)海油建造，采用明陽(yáng)智能7.25 MW機(jī)組，為文昌油田群供電，是全球首個(gè)“雙百項(xiàng)目”(水深超過(guò)100 m，離岸距離超過(guò)100 km)。該項(xiàng)目的成功實(shí)施為深遠(yuǎn)海綠色能源立體開(kāi)發(fā)、海洋資源集約利用提供了技術(shù)儲(chǔ)備，推動(dòng)了海洋經(jīng)濟(jì)的融合發(fā)展。

2024年8月，“明陽(yáng)天成號(hào)”在陽(yáng)江青洲四海上風(fēng)電場(chǎng)完成安裝。該項(xiàng)目采用單點(diǎn)系泊混凝土浮體、雙下風(fēng)向風(fēng)機(jī)，采用兩臺(tái)8.3 MW風(fēng)機(jī)，是目前我國(guó)海上漂浮式風(fēng)電在整機(jī)和基礎(chǔ)創(chuàng)新領(lǐng)域的代表項(xiàng)目。中國(guó)中車(chē)公司在2024年10月下線的“啟航號(hào)”風(fēng)機(jī)功率等級(jí)達(dá)到20 MW，風(fēng)輪直徑達(dá)到260 m，掃風(fēng)面積53 100㎡(相當(dāng)于7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng))，是目前全球最大功率漂浮式風(fēng)電機(jī)組。

2022年，中電建萬(wàn)寧項(xiàng)目開(kāi)工，該項(xiàng)目一期規(guī)劃6臺(tái)16 MW以上漂浮式風(fēng)電機(jī)組，預(yù)計(jì)于2025年實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，是我國(guó)首個(gè)批量項(xiàng)目。該項(xiàng)目建成后將是全球容量最大的漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目。綜上，我國(guó)漂浮式風(fēng)電的起步雖然晚于歐洲的，但是由于國(guó)家政策的支持，我國(guó)漂浮式風(fēng)電技術(shù)進(jìn)展迅速;且隨著項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的累積，我國(guó)漂浮式風(fēng)電技術(shù)成熟度也在不斷提高，目前已經(jīng)進(jìn)入小批量示范應(yīng)用階段。

3.文章內(nèi)容結(jié)構(gòu)

4.作者簡(jiǎn)介

王靛，男，博士，正高級(jí)職稱(chēng)，中車(chē)啟航新能源技術(shù)有限公司副總經(jīng)理。中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，長(zhǎng)期從事兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作，是公司風(fēng)機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)、載荷計(jì)算平臺(tái)、能源指南平臺(tái)的主要構(gòu)建者，是公司數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、綜合能源新領(lǐng)域的締造者。入選國(guó)家科技部重大項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家、中國(guó)中車(chē)核心技術(shù)人才、中國(guó)中車(chē)新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域技術(shù)專(zhuān)家、中南大學(xué)校外工程碩士研究生導(dǎo)師、湖南大學(xué)校外工程博士研究生導(dǎo)師。

5.中國(guó)中車(chē)“啟航號(hào)”20MW漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組介紹

“啟航號(hào)”是中國(guó)中車(chē)自主研發(fā)的20MW漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組，功率突破到20MW量級(jí)，樹(shù)立了風(fēng)電行業(yè)新的里程碑。風(fēng)輪直徑達(dá)到260米，葉尖速度與高鐵速度“同行”，輪轂高度達(dá)到151米，在設(shè)計(jì)風(fēng)速下年滿發(fā)小時(shí)數(shù)約為3500小時(shí)，設(shè)計(jì)使用壽命25年。機(jī)組每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈能滿足一個(gè)家庭2至4天的用電需求，年節(jié)約燃煤消耗約2.5萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放約6.2萬(wàn)噸。

“啟航號(hào)”不僅以其卓越的發(fā)電效能脫穎而出，更融合了多項(xiàng)前沿的創(chuàng)新控制技術(shù)，確保漂浮式機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中維持極致的平穩(wěn)性，擺幅極小，展現(xiàn)了高度的智能化水準(zhǔn)。其設(shè)計(jì)兼顧了部分組件的可重復(fù)利用性與可擴(kuò)展性，通過(guò)模塊化構(gòu)造關(guān)鍵系統(tǒng)接口及結(jié)構(gòu)件，進(jìn)一步提升了機(jī)組靈活性與效率。此外，通過(guò)采用多重抗臺(tái)風(fēng)技術(shù)與策略，顯著增強(qiáng)了在臺(tái)風(fēng)等極端天氣條件下的安全穩(wěn)定性。憑借高度智能化、系統(tǒng)模塊化、全鏈協(xié)同化以及優(yōu)越穩(wěn)定性四大核心技術(shù)亮點(diǎn)，“啟航號(hào)”在風(fēng)電行業(yè)中獨(dú)樹(shù)一幟，將大幅增加客戶收益率，降低全生命周期內(nèi)度電成本，引領(lǐng)風(fēng)電領(lǐng)域邁向新的高度。

從2024年10月在江蘇射陽(yáng)下線，到2025年1月在山東東營(yíng)成功吊裝，“啟航號(hào)”傾注了中國(guó)中車(chē)“雙賽道雙集群”的最新智慧，在性能和可靠性上力臻完善。未來(lái)，中國(guó)中車(chē)將以“啟航號(hào)”等旗艦產(chǎn)品為代表，全力打造“立起來(lái)的高鐵”新名片，持續(xù)提供更優(yōu)深遠(yuǎn)海風(fēng)電資源開(kāi)發(fā)解決方案，助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，為全球綠色能源發(fā)展注入磅礴動(dòng)力。