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干货 | 漂浮式海上风电发展概述

北极星风力发电网  来源:《风能》  作者:许移庆 张友林​  2020/7/15 9:53:33  我要投稿  

北极星风力发电网讯:自2009年挪威首台立柱(Spar式)漂浮式海上风电机组安装以来,全球海上风电迎来了漂浮式时代。从能源分布上看,海上风能资源储量丰富,但面对苛刻的深远海环境条件,传统固定式海上风电在技术和经济上面对的挑战急剧增加,欧美和日韩风电巨头逐步聚焦漂浮式海上风电技术的研发。总体而言,漂浮式海上风电市场经历了从小规模单台样机(2009~2015年)到小型风电场示范(2016~2022年)的演变过程。

来源:微信公众号“风能专委会CWEA”

作者: 许移庆 张友林,上海电气风电集团股份有限公司

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漂浮式海上风电项目进展

一、单台兆瓦级示范项目

在挪威Hywind demo 漂浮式样机项目之后,涌现出众多新的漂浮式基础方案。部分方案完成了实尺度样机的安装,并开展验证研究(见表1)。

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(一)挪威Hywind demo 项目

Hywind 漂浮式海上风电机组基础方案是由挪威国家石油(Statoil公司,2018年更名为Equinor)借鉴海上漂浮式航标的创意于2002年提出,为立柱式基础的代表。在经历了概念设计、分析理论的发展、缩尺模型的水池试验阶段后,2009年,Equinor在挪威Karmoy海域开发了世界上第一个全尺寸漂浮式机组的样机项目,原计划部署两年,但至今仍在服役发电。

Hywind 项目中立柱式技术的特征包括:基础内部包含浮力舱和压载舱,浮力舱位于基础的上段,为上部风轮、机舱、塔筒等结构提供支撑浮力;压载舱位于基础的下段,通过装载水、碎石或高密度混凝土进行压载,使系统重心位于浮心之下;基础外部通过3根锚索固定于水底,在水中形成“不倒翁”式结构,具有无条件稳定、运动周期长、所受垂向波浪力小等优点。

Hywind 项目技术方案的浮体吃水深,存在建造、安装的局限。例如,应用该基础时,需要经过湿拖、扶正、系泊系统回接、海上压载、海上机组安装、整体调试等环节。由于挪威有条件良好的深水港湾,基础的扶正、压载可以在港湾内进行;但是在中国,上述所有作业都需要在开阔海域进行。

(二)葡萄牙WindFloat项目

基于美国西雅图的PPI(Principle Power,Inc)公司提出的WindFloat三立柱半潜式海上风电机组技术,2011年,EDP(Energias de Portugal)等企业在葡萄牙的Aguçadoura近海安装了首台WindFloat样机,这是全球首个半潜式海上风电样机项目。样机在5年的验证阶段,经受住了超过17m的巨浪以及30m/s 大风的恶劣天气考验。2017年,该项目以少于50万欧元的成本拆除,充分体现出漂浮式机组在拆除方面的优势。

WindFloat 漂浮式机组技术采用非对称浮体布置方案,机组塔筒偏置于其中一个浮体上。其技术特征包括:静态压载系统、主动压载系统和垂荡板系统。其中,静态压载系统通过在3个浮体内部隔舱中装载压载水的方式,保障系统整体重心位于结构的垂向几何中心线上。主动压载系统根据机组的运动姿态调整3个浮体的排水和压载水质量,以补偿风速和风向变化引起的机组运动。3个浮体下端设置的垂荡板结构,使平台在垂向运动过程中增加了附加水质量,进而改变基础的固有周期。

(三)法国FLOATGEN项目

近年来,法国Ideol公司开发的阻尼池半潜式海上风电机组解决方案受到广泛关注。2018年,由Centrale Nantes和SEM-REV公司联合开发的FLOATGEN项目投入运营, 场址水深为33m,采用Vestas的V80-2.0MW机组。运营以来,样机表现优异,2019年共发电6GWh,下半年的可利用率达94.6%。

该方案采用中空环形阻尼池技术实现类似减摇液舱的功能。技术特征包括:采用钢筋混凝土材料建造环形基础主体结构,既可以减少结构的用钢成本,又能够降低基础的结构重心高度,保证基础的稳定性;基础采用6条系泊缆绳与海底链接,保障平台具有足够的系泊安全冗余;基础底部外围安装大面积的垂荡板结构,增加了基础的运动阻尼,能有效抑制平台的垂荡运动;基础吃水浅,垂向特征尺寸小,对港口、航道和风电场环境水深的适应性强,登船便捷,基础平台上作业空间较大,设施维护容易。

(四)日本GOTO项目

除欧美外,日本在漂浮式海上风电方面走在世界前列。自2011年福岛核电站因海啸而发生核泄漏后,日本启动弃核计划,并积极发展风能等可再生能源。在丰富的海上风能资源以及积极的政策支撑下,日本较早启动漂浮式机组的研发。2011年,由日本环境省启动的GOTO项目是亚洲首例全尺寸漂浮式机组样机项目1。它由户田建设、富士重工、九州大学、日本海上技术安全研究所的联合体实施,位于日本的长崎县五岛市桦岛(Kabashima)离岸1km、水深91m的海域,采用富士重工(其风电业务板块于2012年被日立收购)的2MW下风向机组,基础为长76m、直径7.8m的Spar式结构。样机的五十年一遇设计浪高为8.4m,但试运行不久即遭遇2012年的第 16号台风 Sanba,成功抵抗9.5m高的波浪。2015年,完成样机试验,结果认定这一漂浮式基础的安全性好,且对环境影响小,可继续营运。此后,样机迁移至福江岛东岸崎山冲(Sakiyama)近海约100m水深海域继续运行至今。

(五)日本Fukushima Forward项目

日本Fukushima Forward 漂浮式海上风电场是安装漂浮式样机型式最多的示范项目,位于距离福岛楢叶町沿岸约20km、水深约120m的海域。目前,已经安装了1台2MW、1台7MW和1台5MW机组,并安装世界上第一个25MVA的漂浮式海上升压站,工程总投资188亿日元。其中,2MW机组是日本日立公司(原富士重工的风电业务板块)生产的下风向机组,风轮直径为80m,于2013年11月11日并网发电。7MW机组是日本三菱生产的上风向机组,风轮直径为167m, 于2015年7月29日拖至示范项目现场,2016年8月前并网发电。5MW机组同样是由日立公司生产的下风向机组,风轮直径为126m,于2017年3月并网发电。

(六)其他建设中的项目

除上述进入安装运行阶段的样机项目外,近年来, 一些新型漂浮式基础方案也逐步获得示范核准,并即将进入样机安装阶段。例如,丹麦Stiesdal Offshore Technologies A/S 公司从漂浮式机组基础建造便利性的角度出发,提出了Tetraspar漂浮式方案。它设计的同一套基础构件可满足固定式、立柱式、半潜式、张力腿式多种工作模式的组装要求,基于批量化、模块化建造原则实现基础成本的最大程度下降。目前,应用该方案的样机项目已完成核准与融资,将于2020年在挪威北海区域完成首台西门子3.6MW机组的示范应用。此外,西班牙Saitec公司将于2020年基于其浅吃水双体船漂浮式方案SATH开展样机项目融资。瑞典SeaTwirl公司将于2021年建设1MW垂直轴漂浮式样机项目。德国GICON公司将于2022年基于其张力腿式方案建设样机项目,采用西门子的2.3MW机组。此外,三峡新能源公司也将于2021年7月在广东省阳江市沙扒镇近海28km海域建设中国首个漂浮式机组项目,拟采用5.5MW机组。

二、小批量示范项目

除上述已完成安装的单台样机示范项目外,Hywind技术凭借起步早、技术成熟度高的优势步入了小批量示范应用阶段。在葡萄牙和英国,WindFloat Atlantic 和Kincardine项目分别采用WindFloat半潜式机组技术,正在开展小批量示范风电场的建设。此外,近年来,法国逐步成为漂浮式海上风电的后起之秀,政府核准建设的小批量示范项目包括EolMed、Groix & Belle-Ile、Provence Grand Large(PGL)等(见表2)。

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(一)已建成项目

Hywind Scotland 项目是目前仅有的已建成小批量漂浮式海上风电的商业化项目。它于2015年由挪威Equinor公司与阿联酋Masdar公司联合发起,2017年,基于第二代Hywind漂浮式技术在英国苏格兰的北海区域建立。项目装机容量为30MW,采用5台西门子的6MW机组。基础相对于Hywinddemo 的立柱式结构进行了主尺度优化,水下浮体直径增加至14.4m,吃水深度减小至78m,每套系统排水量为11200吨。

(二)建设中项目

PPI 公司的WindFloat半潜式技术虽然起步晚于Hywind Scotland 项目所用的立柱式技术,但适用于更宽的水深范围,更符合市场的需求,目前已启动两个小批量示范项目。位于葡萄牙的WindFloat Atlantic 项目由WindPlus公司开发, 它由EDP Renováveis、Repsol S.A. 及PPI三家企业联合成立。项目装机容量为25.2MW, 采用3台MHI Vestas 的V164-8.4MW机组。2019年7月,第一台机组成功安装,另外两台机组将于2020年完成安装及并网。

Kincardine 项目是继Hywind Scotland 之后苏格兰海域的第二个漂浮式海上风电项目,由Cobra公司开发,装机容量为49.5MW,采用1台2MW 和5台MHI Vestas 的V164-9.5MW机组。第一台漂浮式机组来自于WindFloat项目的退役机组和基础,现已并网发电,预计2020年完成整个项目的开发建设。

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