在海上风电发展中,注重提升风电技术,最快速地降低成本是海上风电发展的重要目标。

1 海上风能资源评估技术

若想利用海上风能,需要搞清楚近海区域上的风的变化规律及特征,主要有以下几种方法:利用沿岸陆地气象观测数据、船舶报数据及气压数据和海面风场数值模拟。其中利用沿岸陆地气象观测数据是常采用的方法。将获得的海上一段时期内的气象资料与岸边同步观测的气象资料进行对比分析. 从而推测出对应海区的风况特征。为弥补海上气象观测稀缺和近岸海域数据不连续等问题,通过建立风场数值模型模拟计算出一个区域内风能的分布。模拟计算中考虑许多对近地面的风切变有重要影响的过程如海陆风、逆温等。

2 海上风电机组

由于海上风机的安装、运行、维护较陆地困难且成本高,增大单机发电功率、减小单机数量,推动风机向更大方向发展。海上风电机组呈现大型化的趋势,多选用高叶尖速设计参数,以减轻塔顶机舱和叶片的重量,节约材料,降低成本。大型风机的发展需要新材料、新工艺、新概念技术支撑,碳纤维塑料因其较强刚度、质轻、使用寿命长等优点而在叶片制造中广泛应用。

为了承受海上的强风载荷、海上腐蚀和波浪冲击等,海上风电机组的基础结构复杂、技术难度高、建设成本高。海上风电机组基础由塔架和海底地基组成,按结构类型可分为单桩结构、重力式、桶形结构和悬浮式 。其中单桩结构具有结构简单和安装方便,是目前海上风电场应用最多的一种结构。对于变动的海床,由于单桩打入海底较深,该基础形式有较大优势。桶形基础是一种新型的海洋工程基础结构形式,由于它的材料和安装成本低于单桩基础而受到海上风力发电行业的青睐,大大地节省了钢材用量和海上施工时间,运输也较容易,有良好的应用前景。浮式结构是海上风电机组基础结构的深水结构形式,可以克服海床底部安装基础结构受水深限制的缺点,主要用于50 m以上水深海域。浮式结构分为多风机漂浮平台和单风机漂浮平台,前者多风机共用一个锚定系统,有利于整体的质量优化,但因稳定性不容易满足和所耗费的成本过高而不予考虑;后者具有结构简单,成本低,单体设计加工方便等优点。国外相关研究表明,侧重于采用单风机漂浮平台,研究的重点是降低锚定系统成本。

3 海上风电场设计

近年来,海上风电项目从单台机组逐步发展为大中型风电场建设。海上风电场的设计对海上风电场的技术性和经济性至关重要,包括机组的排列和风电场控制方式。

海上风电机组的排列方式应考虑海床的结构以及环境、地理和技术条件等的限制,应尽可能地避免风电机组的相互干扰,减少风电机组的尾流所造成的损失,优化利用海域面积,使单位面积的装机容量或发电量最大化。为降低成本,风电机组应尽可能地布置在浅水、且海底平坦的海域。

海上大型风电场并网方式一般采用两种方法,多台风机并联后连接到一个换流器再并网,或者采用带分散风机控制直接并网。后者每台风机有自己的换流器,可靠性大幅提高,不会因单一换流器故障导致全部风机不能输送电能到电网,同时传输容量提高,可以分别控制单台风机工作在理想状态。随着海上风力发电量的不断增加,海上风电并网将面临新的技术问题,一是海上风电的输送,二是风电场动态稳定性对电网的影响。提高风电的可控性是今后发展的方向,除了风电机组的控制技术,还应注重研究风电的短期气象预报和风电场的集中控制策略。在电网技术方面,通过技术和管理措施,尽可能地保持风电机组与其他发电机组的同步 。

结束语

海上风电技术经过近20年的发展已经得到了较大提高。但海上风能开发的主要问题在于成本过高和安装运输不便。随着海上风电技术的成熟,海上风力发电的成本也将不断下降。海上风电机组呈现大型化的发展趋势,其中在浅海或近海区域,单桩基础是目前海上风电场应用最多的一种结构;浮式结构适用于深海区域,单风机漂浮平台是目前研究的重点。海上风电场逐渐发展为大中型风电场,机组的排列及风电场控制得到了进一步优化。

海上风能资源是一种清洁的永续能源,在各国政策的积极支持下,海上风电技术的提高和风电开发成本的下降促使海上风电规模化发展,海上风能将得到更深入、更大范围的开发和利用。