我國海岸線全長18 000多km，擁有豐富的海上風能資源。但我國海上風力資源開發(fā)較歐美國家相比起步較晚，導致我國海上風電應(yīng)用時間較晚;不過通過多年的研究和探索，經(jīng)歷了海上風電開發(fā)起步時期后迎來了海上風電開發(fā)快速發(fā)展時期。目前，海上風電已成為我國能源戰(zhàn)略的重要產(chǎn)業(yè)，也是我國實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程的重要工具。2010年，作為我國首個海上風電場的圖1所示東海大橋風電場，在上海開工建設(shè)，隨后我國海上風電項目逐年增長，之后我國海上風電裝機規(guī)模逐漸達到世界先進水平。
圖1 東海大橋海上風電場俯瞰
全球風能協(xié)會(global wind energy council，GWEC)發(fā)布的《全球風能報告2022》的數(shù)據(jù)顯示：2021年全球新增風電容量為93.6 GW，僅比2020年的記錄低1.8%;總裝機容量達到837 GW，比2020年增長12.4%;同時，2021年海上風電并網(wǎng)量達到21.1 GW，是2020年的3倍，創(chuàng)下海上風電并網(wǎng)總?cè)萘?7.2 GW的新記錄。其中，我國海上風力發(fā)電的貢獻十分突出，2021年我國連續(xù)第4年保持海上風電裝機量首位，年新增裝機容量近17 GW，累計海上風電裝機容量達到27.7 GW，與歐洲近30年發(fā)展水平相當。
雖然部分受到政策變化的影響，即從2022年1月1日起，政府終止對海上風電的補貼，且2019年之前批準的項目必須在2021年底之前完全并網(wǎng)，才能享受0.85元/(kW·h)的電價，進而出現(xiàn)海上風電機組搶裝潮;但整體來看，我國海上風力發(fā)電在向電網(wǎng)平價時代過渡期間雖會面臨激烈的競爭，在“十四五”規(guī)劃和“碳達峰、碳中和”的目標下發(fā)展前景依然向好。另外，海上風電技術(shù)隨著應(yīng)用的成熟逐步呈現(xiàn)出如下特點：首先，機組容量大型化，單機容量進一步提高至16 MW，葉輪直徑250 m以上;其次，場區(qū)建設(shè)深遠化，在水深大于50 m、場區(qū)中心離岸距離大于70 km的深遠海，依據(jù)更加充裕的風能建設(shè)深遠海風電。同時，隨著海上風電項目的增多，相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)也得到巨大發(fā)展，例如，我國是世界上最大的風力發(fā)電機制造中心，占全球風力發(fā)電機機艙和關(guān)鍵部件(包括變速箱、發(fā)電機和葉片)產(chǎn)量的60%～65%，企業(yè)間競爭壓力導致售價降低且積極研發(fā)更大功率的風力發(fā)電機，推動技術(shù)的進步，利好風力發(fā)電市場。海上風電安裝船、風力機組檢修船等，及海纜、輸電裝置等相關(guān)配套設(shè)施也取得極大發(fā)展。
2 海上風電的應(yīng)用現(xiàn)狀
海上風電資源雖然極為豐富，但相應(yīng)的建設(shè)成本和建設(shè)難度也會有很大的提高。伴隨著海上風電的迅速發(fā)展，海上風力發(fā)電機組建設(shè)問題也在相關(guān)領(lǐng)域突破的基礎(chǔ)上得到不斷解決，更為安全、高效的海上風電機組也在逐步走向成熟;隨著海上風電發(fā)電容量的進一步增大，深遠海風力發(fā)電更加成熟，在風電傳輸與利用方式上也出現(xiàn)了新的技術(shù)和方式。
2.1 海上風電場的建設(shè)
由于海上環(huán)境特殊，海上風電機組與陸上風電機組有極大不同，而且，海上風電機組所處海洋環(huán)境遠比陸地環(huán)境惡劣，因此對海上風電機組的技術(shù)有著更高的要求。目前，國內(nèi)外采用的風電機組根據(jù)其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是否接觸海底分為固定式和漂浮式兩種，固定式機組根據(jù)其基礎(chǔ)不同又分為重力式、單樁基礎(chǔ)和套管式等，漂浮式則根據(jù)浮體不同分為半潛型、立柱型和張力腿(拉桿)型;固定式機組穩(wěn)定性高、應(yīng)用早，技術(shù)較為成熟，成本較低且安裝難度小，已在近岸淺海得到廣泛應(yīng)用。但隨著海上風電發(fā)展逐漸深遠?；?，固定式風電機組已無法滿足應(yīng)用要求，新型漂浮式海上風電機組得到了極大發(fā)展。
2.2 海上風電的電能送出方式
目前，海上風電的送出還是以電力輸送方式為主，隨著電力輸送技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合海上風電的特點，用于輸送海上風電的技術(shù)主要有高壓交流輸電、高壓直流輸電、分頻輸電(fractional frequency transmission system，F(xiàn)FTS)和船運電池輸電技術(shù)等，不同輸電技術(shù)依據(jù)其性能特點，與風電場的電力特性進行匹配選擇，以追求輸電性能與價格的平衡。
2.2.1 高壓交流輸電技術(shù)
高壓交流輸電技術(shù)憑借其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、技術(shù)成熟等優(yōu)點已被廣泛用在近海海上風力發(fā)電的電力傳輸工程中。該技術(shù)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要原理為：首先將各風電機組輸出的電壓幅值、頻率波動的交流電經(jīng)過換流器轉(zhuǎn)換為恒壓的工頻交流電，經(jīng)過海上升壓變壓器升壓后匯入海底電纜，傳輸至陸地并入電網(wǎng)。受到電纜線路電容充電的影響，此種輸電方式無功損耗較大，電纜有效負荷率低，因此只能短距離、小容量傳輸電能，一般還需要增加無功補償器，且直接與電網(wǎng)相連也會增加電網(wǎng)與電廠的安全風險。
圖2 海上風電高壓交流輸電技術(shù)拓撲圖
2.2.2 高壓直流輸電技術(shù)
高壓直流輸電技術(shù)主要有兩種拓撲：一種是基于線換相換流器(line commutated converter，LCC)的傳統(tǒng)高壓直流輸電(LCC-high voltage direct current，LCC-HVDC)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示;另一種是基于自換相電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流高壓輸電(VSC-high voltage direct current，VSC-HVDC)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。二者主要工作原理類似，即將風電機組輸出的交流電能經(jīng)過海上換流器轉(zhuǎn)換為直流后，經(jīng)過海底直流電纜傳輸至陸上，再經(jīng)陸上換流站將電能轉(zhuǎn)換為工頻交流電后并入電網(wǎng)。LCC-HVDC具有單變流器容量大、成本低、可靠性高、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，但也存在易產(chǎn)生諧波、需要無功補償、易受交流系統(tǒng)干擾導致?lián)Q相失敗等問題，導致無法更大范圍應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，更多成熟的電力電子器件及技術(shù)也進入大功率輸電領(lǐng)域;VSC-HVDC具有不易發(fā)生換相失敗、穩(wěn)定性強、可對有功無功功率單獨控制等優(yōu)勢，且具備黑啟動能力、可接入無源網(wǎng)絡(luò)供電等優(yōu)勢，在克服早期采用兩電平、三電平換流器而產(chǎn)生諧波含量高、損耗大等問題之后，采用模塊化多電平換流器技術(shù)使得性能得到極大提升。目前，國內(nèi)外已有大批運用VSC-HVDC技術(shù)的輸電項目示范工程，其應(yīng)用技術(shù)有望得以大幅度提高;但其成本高、開關(guān)頻率高導致變流器功耗大、系統(tǒng)整體成熟度低等問題也不可忽視。隨著技術(shù)的不斷迭代，直流輸電線兩端其一為LCC，另一端為VSC的混合直流輸電技術(shù)和采用3個及以上換流站組成的多端直流輸電(multi-terminal direct current，MTDC)技術(shù)有望進一步提升高壓直流輸電的性能。
圖3 海上風電傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)拓撲圖
圖4 海上風電柔性高壓直流輸電技術(shù)拓撲圖
2.2.3 FFTS技術(shù)
FFTS技術(shù)由王錫凡院士提出，旨在通過降低交流電頻率減小輸電電纜電容效應(yīng)導致的充電電流的影響，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。研究表明，如果只考慮交流海底電纜電容充電電流的影響，在50、16、15、10、5和1 Hz頻率下，有功最大傳輸距離分別為140、437、465、630、1 280和14 945 km，因此該方法可極大減小工頻交流輸電的無功影響，延長交流電能輸送里程和電纜使用壽命，也可相應(yīng)減少風電機組齒輪箱增速比，簡化結(jié)構(gòu)的同時降低成本;但也需考慮降頻之后帶來的相應(yīng)變壓器體積、重量變大的問題及全場風力發(fā)電機運行的效率問題。
圖5 海上風電FFTS技術(shù)拓撲圖
2.2.4 船運電池輸電技術(shù)
隨著海上風電場逐漸向深遠?；l(fā)展，輸電線路建設(shè)成本大幅提高。近年來，電力儲能技術(shù)取得快速發(fā)展，特別是鋰電池技術(shù)的成熟和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，采用船運電池進行深遠海電力輸送成為可能。與傳統(tǒng)輸電線路輸送相比，船運電池輸電技術(shù)無電纜鋪設(shè)問題，不受輸電距離的限制，具有靈活性強、建設(shè)投資成本低等優(yōu)點;目前來看，輸送容量偏小、損耗費用偏高等是限制其發(fā)展的主要因素，但其仍為深遠海風電輸電方式的研究提供了新的思路。
2.3 海上風電制氫技術(shù)
隨著海上風電場的規(guī)模逐漸增大，特別是深遠海風電的發(fā)展，海上風電容量相應(yīng)增大;面對日益增大的風電容量，除了逐步提高輸電技術(shù)以求更加高效的陸上電網(wǎng)消納外，也可嘗試發(fā)展海上風電電解海水制氫就地消納技術(shù)。該技術(shù)既可改善海上風電輸電的劣勢，也順應(yīng)當前能源結(jié)構(gòu)“綠色化”的發(fā)展潮流。
2.3.1 海上風電制氫原理及現(xiàn)狀
近年來，隨著能源與環(huán)境問題的突出，清潔能源的利用備受關(guān)注，其中，氫能的有效利用被認為是清潔能源發(fā)展的重要組成部分。然而目前，工業(yè)中氫氣的制取大部分還是通過化石燃料加工，即為“灰氫”，約占77.3%;來自工業(yè)副產(chǎn)的“藍氫”約占21.2%，真正清潔的可再生能源制取的“綠氫”僅有1.5%。大力發(fā)展清潔能源制氫、提高綠氫比例亟需一種“破局之術(shù)”。遠海風電場具有大量風電資源和得天獨厚的水資源，深遠海風力發(fā)電電解海水制氫有望成為綠氫的重要來源。
海上風電制氫系統(tǒng)可根據(jù)其電解系統(tǒng)的位置不同，分為陸上電解水制氫和海上電解水制氫;海上電解水制氫又根據(jù)電解系統(tǒng)與風電機組位置，分為集中式電解水制氫和分布式電解水制氫。其中，陸上電解水制氫依據(jù)前述海上風電輸電系統(tǒng)，將電能傳輸至陸上，再完成電解工作，對于近岸淺海風電較為友好，具有靈活性高等特點，但不符合新型風電深遠?；内厔?。海上電解水制氫中的集中式電解水制氫是將分布的海上風電機組電能匯聚到圖6所示海上制氫平臺后進行電解，之后由能源管道輸送至陸上儲存應(yīng)用;分布式電解水制氫則不對各機組電能進行匯聚，而是依據(jù)風電機組塔底平臺上的電解制氫設(shè)備模塊就地電解制取氫氣，之后經(jīng)過小流量管道將氫氣匯聚至大容量管道后輸送到陸地，其目的主要是采用損耗較小的能源管道輸送替代損耗較大的電力輸送，以提高能量利用率，但目前分布式電解制氫模塊技術(shù)還需進一步發(fā)展。
圖6 海上制氫平臺效果圖
根據(jù)電解水的來源不同可將海上風電制氫系統(tǒng)分為海水直接電解制氫和海水間接電解制氫兩種。海水直接電解制氫是將海水經(jīng)過簡單處理后直接引入電解槽中進行電解，其面臨的主要問題是海水中蘊含的大量陽離子(Na+、Mg2+、Ca2+等)、細菌、微生物和小顆粒等雜質(zhì)在電解反應(yīng)過程中會吸附在電極和催化劑上，導致昂貴的催化劑中毒、失去活性，引起電解速率下降等問題。海水間接制氫是指在海水進行電解之前，除了要進行簡單的處理外，還要經(jīng)過淡化過程去除其中的離子，成為淡水后再進行電解。間接電解海水制氫相比于直接電解海水，能很大程度上保護電解池中的催化劑，提升電解速率和效率，且可應(yīng)用陸地上相對成熟的淡水電解經(jīng)驗，雖然淡化海水有成本，根據(jù)柯善超等人的研究，理想情況下采用反滲透方式淡化海水所需要的能量僅占海水分解總能量的0.02%，占海水電解能量的0.7%，且電耗占反滲透淡化海水成本的50%～75%，占產(chǎn)水成本的40%～60%。目前，海水淡化的成本已可控制在4～4.5元/t，隨著海上風電成本的進一步降低，其經(jīng)濟性將會更加樂觀。另外，根據(jù)鄭澳輝等人的研究，運用壓縮空氣儲能驅(qū)動反滲透海水淡化系統(tǒng)有望將淡水生產(chǎn)成本再降低4.4%。
2.3.2 氫儲運技術(shù)
儲氫技術(shù)可分為物理儲氫、化學儲氫和多孔材料吸附儲氫3大類，其中海上風電制氫的儲存主要運用物理儲氫技術(shù)，物理儲氫技術(shù)又可分為高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)和低溫高壓儲氫3種。高壓氣態(tài)儲氫運用較多，但其儲氫密度較低，儲存容器的選擇有常見的人造復合材料壓力容器和含水層、鹽穴等天然結(jié)構(gòu)利用兩種。鹽穴儲氫具有低成本、高性能特性，多個國家已開展相關(guān)應(yīng)用研究。低溫液態(tài)儲氫是將氫氣進行低溫處理至-253 ℃，將其液化儲存，其儲存密度為70 kg/m3，國外已將該技術(shù)進行商業(yè)化應(yīng)用(其中，韓國林德氫氣液化裝置如圖7所示)，但國內(nèi)在核心技術(shù)和裝備方面還有較大發(fā)展空間。低溫高壓儲氫技術(shù)則兼顧上述兩技術(shù)的特點，在提高存儲密度和降低能耗方面有一定前景，但截至目前還尚未應(yīng)用。
圖7 韓國林德氫氣液化裝置
3 海上風電的發(fā)展前景和展望
海上風電資源儲量十分豐富，但目前得以利用的僅為少數(shù)，且還存在缺少規(guī)劃、分布不合理等問題。伴隨著我國能源低碳化趨勢的發(fā)展，海上資源的利用將是未來的發(fā)展重點。短期來看，雖然英國、德國、丹麥等歐洲國家比我國有更加成熟的發(fā)電及應(yīng)用技術(shù)，但是我國特殊的沿海高用電負荷的地理特征決定我國未來風電能量需求遠大于上述國家，即我國海上風能資源的利用總量將十分龐大，海上風電具有巨大的應(yīng)用前景。根據(jù)圖8所示的GWEC數(shù)據(jù)，我國2021年新增海上風電裝機量占據(jù)世界總新增裝機量的80%，未來隨著技術(shù)的進一步成熟，我國大陸地區(qū)特別是沿海城市地區(qū)巨大的用電需求將有望由海上風電供給;同時，伴隨著海上風電制氫技術(shù)的成熟與應(yīng)用，海上風電的優(yōu)勢將更加明顯。自改革開放以來，我國科學技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，加之近幾年風電熱潮的積極孵化作用，我國在風電領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)成熟的技術(shù)應(yīng)用，各地政府也在積極鼓勵與引導，簡化程序，助力項目落地。江蘇、廣東、浙江、上海、海南、山東等省市也出臺相關(guān)政策，以推動海上風電進一步發(fā)展。例如，《浙江省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中提出，在“十四五”期間大力發(fā)展生態(tài)友好型非水可再生能源，實施“風光倍增”工程，著力打造百萬kW級海上風電基地，預計到2025年全省海上風電裝機容量新增455萬kW以上，力爭達到500萬kW，并在寧波、溫州、舟山、臺州等海域建造百萬kW級的海上風電基地3個;《上海市能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》也指出大力發(fā)展可再生能源，發(fā)展方式向集中式與分布式發(fā)展并重轉(zhuǎn)變，推進奉賢、南匯和金山3大海域作為近海風電的示范，積極探索深遠海域的風電開發(fā)，力圖新增180萬kW風力規(guī)模;海南省則堅持以項目為核心，積極招商促進項目落地，引進明陽、申能、上海電氣、大唐、東方電氣、中電建等多家海上風電企業(yè)共同發(fā)展，有望在2023年下半年下線第一臺風電整機并實現(xiàn)出口，據(jù)《海南省風電裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2022—2025年)》，海南將爭取到2025年基本形成風電裝備產(chǎn)業(yè)集群，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈550億元產(chǎn)值。
圖8 2021年新增海上風電裝機容量分布
海上風電的發(fā)展在規(guī)模上取得進展的同時更應(yīng)注重其發(fā)展的科學性與合理性，以實現(xiàn)以最小代價、最高效率應(yīng)用海上風電資源的目的。據(jù)此，海上風電的進一步發(fā)展應(yīng)根據(jù)不同風電工程項目的特點，大致分為近海風力發(fā)電項目和深遠海風力發(fā)電項目兩條主線;未來，隨著儲能技術(shù)的大力發(fā)展，海上風電可結(jié)合水下壓縮空氣儲能等技術(shù)，基于不同技術(shù)路線，繼續(xù)開發(fā)海上風電的應(yīng)用潛力，完善配套技術(shù)、構(gòu)建多技術(shù)結(jié)合的綜合系統(tǒng)，在滿足多元應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更加高效、更加靈活的消納。
3.1 近海風力發(fā)電項目
近海風電項目是目前建成投產(chǎn)海上風電項目的主要形式。根據(jù)第2節(jié)分析，近海風電場的電能應(yīng)輸送至陸上電網(wǎng)進行消納，這與目前建設(shè)應(yīng)用情況基本相符。未來，隨著更大容量機組的投入應(yīng)用，依托換流技術(shù)、直流輸電技術(shù)等技術(shù)的迭代和發(fā)展，將采用更加先進的直流輸電或其他更為新型的輸電技術(shù)，以進一步降低建設(shè)成本、減少電能損耗，近海風力發(fā)電有望成為可再生能源的重要來源。
3.2 深遠海風力發(fā)電項目
深遠海風電具有更大的資源儲量，但受其建設(shè)和運行成本制約還未大量應(yīng)用，另外能源高輸送成本和低效率也是制約其發(fā)展的重要原因。深遠海風力發(fā)電未來的發(fā)展除了要著眼于提升技術(shù)、降低建設(shè)成本外，還應(yīng)結(jié)合未來能源發(fā)展趨勢。由于現(xiàn)有海上風電輸電系統(tǒng)應(yīng)用于更加深遠海海域風場存在諸多問題，本文認為深遠海風電能源宜采用就地轉(zhuǎn)化的方法，其中一條思路就是利用深遠海風電的大容量優(yōu)勢和海水取用便利的優(yōu)勢，加之目前相對成熟的電解水技術(shù)優(yōu)勢，就地低成本淡化海水，就地高效電解海水制氫，直接將能量密度更高的氫能源通過船運方式輸入陸上，隨著氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展，亦可使用氫氣為能量來源的運輸用船，真正實現(xiàn)無碳化“綠氫”生產(chǎn)。未來，隨著分布式海上風電制氫技術(shù)的進一步成熟，可采用低溫液化儲氫的方式將氫氣降溫液化儲存，屆時液氫20.268 K的低溫特性一方面為超導風力發(fā)電機的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，超導風力發(fā)電機又憑借其體積小、重量輕、效率高、功率密度大等特性進一步增大容量，提高發(fā)電效率和氫氣產(chǎn)量;另一方面也為采取更加高效的超導能源管道從而實現(xiàn)輸電和輸氫同時進行，以提供更大容量的風電傳輸提供了條件。長遠來看，該技術(shù)更加適用于我國未來氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的布局，我國水資源豐富，海上風電制氫技術(shù)可在不利用陸地寶貴淡水資源的條件下實現(xiàn)氫氣的大量制備，這將有利于氫燃料電池的普及和發(fā)展，推動氫能源替代傳統(tǒng)燃煤進程以及燃油工業(yè)進程，這是諸如光伏發(fā)電、水力發(fā)電等可再生發(fā)電技術(shù)不具備的。
4 結(jié)論
海上風電儲量豐富，具有極大的發(fā)展前景。本文介紹了國內(nèi)外海上風電的發(fā)展狀況，針對海上風電場風電機組的建設(shè)方式和電能送出方式進行分析，總結(jié)包括高壓交流輸電技術(shù)、高壓直流輸電技術(shù)、FFTS技術(shù)和船運電池輸電技術(shù)的優(yōu)缺點及使用條件，介紹了海上風電制氫技術(shù)的原理和發(fā)展狀況，對海水直接電解制氫和間接電解制氫方式進行比較，分別介紹了集中式電解制氫和分布式電解制氫的區(qū)別，介紹了氫氣的儲存和輸送技術(shù)，對海上風電的發(fā)展前景做出展望，得到以下結(jié)論：
(1)近海風電場的電能宜通過電能輸送線路直接并入陸上電網(wǎng)消納，且電能輸送線路應(yīng)使用柔性直流輸電等性能較好的輸電技術(shù)。借助其距離陸地較近的特點，可充分發(fā)揮輸電線路的優(yōu)勢;輸電線路直接與陸上電網(wǎng)相連，傳統(tǒng)高壓交流輸電直接接入電網(wǎng)會提高電網(wǎng)安全風險，柔性直流輸電技術(shù)則沒有上述問題;海上風能并入電網(wǎng)消納，亦能提高電網(wǎng)中新能源的比例，符合當前清潔能源發(fā)展趨勢。
(2)海上風電的發(fā)展趨勢為場區(qū)深遠?；蜋C組大型化。目前，幾乎全部擁有海上風電開發(fā)經(jīng)驗的國家和地區(qū)都在積極探索開發(fā)深遠海上風電資源，在深遠海風力發(fā)電領(lǐng)域提前布局，相關(guān)企業(yè)在積極研發(fā)單機容量更大的發(fā)電機組，近年來也出現(xiàn)一批典型示范項目。
(3)未來海上風電和氫能的發(fā)展緊密相連。無論是從經(jīng)濟性上還是從長遠能源發(fā)展的角度來看，海上風電電解海水制氫都是極具競爭力的“綠氫”生產(chǎn)方式，伴隨著未來氫能源逐漸大范圍取代化石能源，海上風電制氫技術(shù)將會得到巨大的發(fā)展和應(yīng)用。
