中國工程院院士、中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)理事長 舒印彪
海風(fēng)輕拂，“風(fēng)車”轉(zhuǎn)動(dòng)，一座座海上風(fēng)電機(jī)組源源不斷送來電能，“電從海上來”的場景正在我國沿海不斷出現(xiàn)。
自2007年建成第一臺海上風(fēng)電機(jī)組至今，我國海上風(fēng)電實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。海上風(fēng)電裝機(jī)容量從2015年的104萬千瓦增至3650萬千瓦，占全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量的近一半，位居世界第一。我國已形成從開發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到施工建設(shè)、運(yùn)維管理較為完整的海上風(fēng)電技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈。2023年，我國風(fēng)電機(jī)組、葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、固定式基礎(chǔ)等產(chǎn)能占全球產(chǎn)能比重均超過60%。
能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，構(gòu)建新型能源體系是時(shí)代向我們提出的課題。國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》提出，堅(jiān)持陸海并重，推動(dòng)風(fēng)電協(xié)調(diào)快速發(fā)展，完善海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈，鼓勵(lì)建設(shè)海上風(fēng)電基地。作為優(yōu)質(zhì)清潔能源，海上風(fēng)電是新型能源體系的重要組成。我國海上風(fēng)能資源豐富，大力發(fā)展海上風(fēng)電對保障我國能源安全、推進(jìn)綠色低碳轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)具有重要意義。
助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色可持續(xù)發(fā)展
我們?yōu)槭裁匆呦蚝Ｑ螅l(fā)展海上風(fēng)電?
為提升清潔能源供應(yīng)保障能力。從自然條件上看，我國沿海5米—50米水深、海平面以上70米高度的海上風(fēng)電資源可開發(fā)量超過5億千瓦。海上平均風(fēng)速比陸上高20%左右，海上風(fēng)電年平均利用小時(shí)數(shù)超過2500小時(shí)，最高可超過4000小時(shí)，平均比陸上風(fēng)電高500小時(shí)左右。從區(qū)域經(jīng)濟(jì)上看，我國東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是重要的用電負(fù)荷中心，海上風(fēng)電靠近沿海省份，就近接入，對保障東部地區(qū)能源電力供應(yīng)、提高非化石能源消費(fèi)比重具有重要作用。此外，海上風(fēng)電還能與“西電東送”形成時(shí)間、空間上的互補(bǔ)，保障我國電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和充裕性。
有助于推動(dòng)海洋強(qiáng)國建設(shè)。發(fā)展海上風(fēng)電能夠帶動(dòng)海洋測風(fēng)、海洋工程等相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動(dòng)發(fā)展，助力海上風(fēng)能與海洋潮汐能、海上光伏、氫能、海上油氣資源等協(xié)同開發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施共享、聯(lián)合運(yùn)維，促進(jìn)海上新型能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。海上風(fēng)電還可以和海洋牧場、海洋監(jiān)測、旅游服務(wù)等共同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“海上糧倉+清潔能源”立體開發(fā)，提高海洋資源綜合利用效率。通過多領(lǐng)域深度融合，將有力推動(dòng)海洋資源開發(fā)向循環(huán)利用型轉(zhuǎn)變。
新能源技術(shù)和電力科技新高地
要在汪洋大海上建起“發(fā)電廠”，面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。海上風(fēng)電場處在強(qiáng)風(fēng)、大浪、咸水腐蝕的復(fù)雜海洋環(huán)境中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)要承受風(fēng)、浪、海流等多種載荷，長距離的海底輸電線路需具備防水、耐腐蝕、抗機(jī)械牽拉及外力碰撞等多重性能，機(jī)組安裝還要利用大型海上專業(yè)施工船舶作業(yè)。因此，海上風(fēng)電對裝備設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)、安裝技術(shù)和建成后的機(jī)組運(yùn)維、故障處理要求都很高。
近年來，我國海上風(fēng)電核心裝備技術(shù)水平快速提升，已具備大容量海上風(fēng)電機(jī)組自主設(shè)計(jì)、研發(fā)制造、安裝調(diào)試、運(yùn)行檢修能力，零部件整體國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上，為解決上述難題提供了有效方案。
制造大容量風(fēng)電機(jī)組可以有效提升風(fēng)能開發(fā)利用水平，降低單位容量工程投資和安裝施工運(yùn)維成本，是海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的主要方向。我國自主研發(fā)的B1260A型葉片長度達(dá)126米，是全球最長風(fēng)電葉片。2023年7月，全球首臺16兆瓦海上風(fēng)電機(jī)組在福建海上風(fēng)電場成功并網(wǎng)發(fā)電。機(jī)組輪轂中心高度152米，相當(dāng)于50層樓高，葉輪掃風(fēng)面積約5萬平方米，相當(dāng)于7個(gè)足球場，葉片每轉(zhuǎn)1圈，可發(fā)電約34千瓦時(shí)，每年可輸出超6600萬千瓦時(shí)清潔電能，滿足3.6萬戶三口之家一年的用電量。主軸承如同海上風(fēng)電機(jī)組的“關(guān)節(jié)”，是決定機(jī)組設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵。緊隨新型葉片，我國自主研發(fā)的18兆瓦海上風(fēng)電主軸承在2023年8月下線，實(shí)現(xiàn)了大功率風(fēng)機(jī)軸承國產(chǎn)化。
不只風(fēng)電機(jī)組，海上風(fēng)電是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要并網(wǎng)送出、海上施工、運(yùn)行維護(hù)等配套工程技術(shù)配合。柔性直流輸電技術(shù)具有潮流反轉(zhuǎn)方便快捷、事故后快速恢復(fù)供電以及黑啟動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能有效解決海上風(fēng)電場大容量、遠(yuǎn)距離輸電問題。2021年，我國首個(gè)海上風(fēng)電柔性直流輸電工程——江蘇如東海上風(fēng)電±400千伏柔性直流輸電系統(tǒng)成功并網(wǎng)，在建的廣東陽江青洲海上風(fēng)電項(xiàng)目則采用更先進(jìn)的±500千伏柔性直流輸電技術(shù)。設(shè)備運(yùn)輸、安裝施工、運(yùn)行維護(hù)也需要研制專門的船舶。2022年，國內(nèi)首艘第四代海上風(fēng)電安裝平臺“白鶴灘”號交付使用。該船配備的繞樁式起重機(jī)可以起吊2000噸的風(fēng)電基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)設(shè)備，相當(dāng)于吊起1300輛家用小汽車，增強(qiáng)了我國近海深水區(qū)及深遠(yuǎn)海風(fēng)電機(jī)組施工安裝能力。2023年11月，配置了智能運(yùn)維信息化系統(tǒng)、海纜敷設(shè)及海纜搶修等系統(tǒng)的多功能風(fēng)電運(yùn)維母船“海峰3001”號投入使用，助力解決海上風(fēng)電運(yùn)維的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。
規(guī)劃引領(lǐng)，科技支撐，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電高質(zhì)量發(fā)展
深遠(yuǎn)海風(fēng)能資源可開發(fā)量是近海的3倍以上，發(fā)電更加穩(wěn)定，是海上風(fēng)電開發(fā)的重點(diǎn)。《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出，鼓勵(lì)建設(shè)海上風(fēng)電基地，推進(jìn)海上風(fēng)電向深水遠(yuǎn)岸區(qū)域布局。我國沿海省份紛紛制訂海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，推動(dòng)海上風(fēng)電由近及遠(yuǎn)有序開發(fā)。深遠(yuǎn)海意味著新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)固定式基礎(chǔ)施工成本高、受海底地形與暗流影響大，深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。去年5月，我國首座深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電平臺“海油觀瀾號”并網(wǎng)發(fā)電，工作海域距離海岸線100公里以上、水深超過100米，年均發(fā)電量可達(dá)2200萬千瓦時(shí)。
矚目未來，海上風(fēng)電將在能源轉(zhuǎn)型中扮演更加重要的角色。根據(jù)東部沿海各省份海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃測算，預(yù)計(jì)到2030年，我國海上風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到1.5億千瓦，海上風(fēng)電發(fā)電量占東部沿海地區(qū)用電量比重將達(dá)到約10%;到2060年，海上風(fēng)電裝機(jī)將超過10億千瓦，海上風(fēng)電發(fā)電量占東部沿海地區(qū)用電量比重將超過30%。海上風(fēng)電開發(fā)要素多、投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，要加強(qiáng)資源勘測，建立海洋空間大數(shù)據(jù)庫，開展海上風(fēng)電資源開發(fā)利用總體規(guī)劃，推進(jìn)集約化、規(guī)模化開發(fā)，提升資源開發(fā)整體效益。
新的目標(biāo)，對風(fēng)電開發(fā)基礎(chǔ)能力提出新的要求。面對復(fù)雜開發(fā)環(huán)境以及發(fā)電預(yù)測、電力消納難以準(zhǔn)確評估的難題，需要加強(qiáng)資源評估、微觀選址、設(shè)備選型、并網(wǎng)分析等環(huán)節(jié)全過程協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化迭代，構(gòu)建海上風(fēng)電全過程協(xié)同開發(fā)體系。建立適應(yīng)不同應(yīng)用場景的精細(xì)化仿真平臺，提高新裝備與新技術(shù)驗(yàn)證水平，降低海上風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。建立海上風(fēng)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測認(rèn)證體系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、序列化。開發(fā)高效率成套測試驗(yàn)證平臺，以標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)技術(shù)成果應(yīng)用、提高生產(chǎn)效率。健全綠色產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證體系，推行綠色設(shè)計(jì)、綠色制造、綠色建造，促進(jìn)資源循環(huán)再利用。
關(guān)鍵領(lǐng)域科技創(chuàng)新時(shí)不我待。進(jìn)一步降低海上風(fēng)電建設(shè)成本、提升開發(fā)利用效率，需要發(fā)揮科技創(chuàng)新引領(lǐng)作用，加強(qiáng)項(xiàng)目勘察、設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)維等技術(shù)研發(fā)，突破大型碳纖維葉片等技術(shù)瓶頸，發(fā)展海上風(fēng)電柔性直流輸電、海上換流平臺緊湊型輕量化等技術(shù)。研發(fā)適應(yīng)深遠(yuǎn)海域的超大型安裝平臺，讓數(shù)字化技術(shù)與深遠(yuǎn)海資源勘測、項(xiàng)目建設(shè)、智能運(yùn)維等環(huán)節(jié)深度融合。
隨著海上風(fēng)電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，相信會(huì)有更多機(jī)組挺立在大海之上，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展持續(xù)注入綠色能量。
(作者為中國工程院院士、中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)理事長)
作者：舒印彪
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