漂浮式海上風(fēng)電加速發(fā)展，未來(lái)將是單葉片、雙葉片的天下？

風(fēng)能是最成熟、最具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的可再生能源之一，大力開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源是建設(shè)零碳世界、實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展的可靠路徑之一。

在陸上風(fēng)能開(kāi)發(fā)日益受限的背景下，海上風(fēng)能的潛力正受到重視。

目前在全世界范圍內(nèi)普及的是固定在海底的著床式風(fēng)電機(jī)組，其適合淺水海灘，很難應(yīng)用于水深超過(guò)50米的海域。但研究顯示，全球大部分風(fēng)能資源位于水深超過(guò)60米的海域。深遠(yuǎn)海區(qū)域面積大、風(fēng)力好，水深50米以上的風(fēng)能密度約為近海區(qū)域的2-4倍。

隨著近海風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)將趨于飽和，海上風(fēng)電走向深遠(yuǎn)海已是大勢(shì)所趨，而水深超過(guò)60米的海域適合采用漂浮式海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)模式。

與此同時(shí)，漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)具有巨大的能源潛力。美國(guó)能源部長(zhǎng)格蘭霍姆去年就曾表示，漂浮渦輪機(jī)未來(lái)有望產(chǎn)生高達(dá)28億千瓦的清潔能源，是美國(guó)目前電力需求的兩倍多。國(guó)家發(fā)展改革委能源研究所此前發(fā)布的《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》也指出，我國(guó)近海水深5至50米范圍內(nèi)，風(fēng)能資源技術(shù)開(kāi)發(fā)量為5億千瓦，而我國(guó)深遠(yuǎn)海風(fēng)能可開(kāi)發(fā)量則是近海的3至4倍以上。

隨著全球漂浮式海上風(fēng)電市場(chǎng)日益火熱，海上風(fēng)機(jī)的機(jī)型樣式也不斷推陳出新。EnerOcean、EnBW、Hexicon 等多個(gè)國(guó)外開(kāi)發(fā)商對(duì)單基礎(chǔ)平臺(tái)搭載多臺(tái)風(fēng)機(jī)的路線探索已久，X1 Wind、Eolink、T-Omega Wind 則先后研發(fā)出無(wú)塔筒風(fēng)機(jī)。此外，在葉片結(jié)構(gòu)方面，單葉片、雙葉片等非傳統(tǒng)機(jī)型正逐步進(jìn)入模擬測(cè)試或樣機(jī)建設(shè)階段，以期在成本、壽命、可靠性、易制造性、易安裝性和易維護(hù)性之間找到最佳平衡點(diǎn)。

圖說(shuō)：?jiǎn)稳~片渦輪機(jī)
來(lái)源：TouchWind

01--漂浮式風(fēng)電加速發(fā)展

2009年，挪威國(guó)家石油（Statoil公司，2018年更名為Equinor）開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)全尺寸漂浮式機(jī)組的樣機(jī)項(xiàng)目——Hywind Demo。項(xiàng)目采用立柱式基礎(chǔ)，離岸距離10km，機(jī)位和作業(yè)水深達(dá)200m，基礎(chǔ)重量約3200 噸，單機(jī)功率2.3MW，成為了漂浮式海上風(fēng)電行業(yè)的重要里程碑。

圖說(shuō)：全球漂浮式海風(fēng)項(xiàng)目整理（已投運(yùn)項(xiàng)目）
來(lái)源：CWEA，Carbon Trust，華創(chuàng)證券

此后，葡萄牙、日本、英國(guó)、法國(guó)、西班牙等國(guó)家也紛紛推出漂浮式樣機(jī)。近期漂浮式樣機(jī)的推出速度明顯加快，漂浮式海風(fēng)已經(jīng)歷從單臺(tái)樣機(jī)到小型商業(yè)化示范風(fēng)電場(chǎng)的過(guò)程，商業(yè)化進(jìn)程顯著加快。根據(jù)GWEC的統(tǒng)計(jì)，2022 年全球新增約66MW漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目并網(wǎng)運(yùn)行，包括挪威60MW項(xiàng)目和中國(guó)海裝“扶搖號(hào)”6.2MW機(jī)型。

圖說(shuō)：全球漂浮式海風(fēng)項(xiàng)目整理（在建項(xiàng)目）
來(lái)源：CWEA，Carbon Trust，華創(chuàng)證券

截至2022年，漂浮式海風(fēng)已投運(yùn)項(xiàng)目20個(gè)，規(guī)模為245.4MW，占海風(fēng)累計(jì)裝機(jī)量比值僅為0.4%；在建項(xiàng)目12個(gè)，規(guī)模為387.4MW。已投運(yùn)項(xiàng)目中，位于英國(guó)、葡萄牙、挪威共 200MW 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的突破。在建項(xiàng)目中，法國(guó)的 Province Grand Large、Groix&Bella-le 等4個(gè)項(xiàng)目、美國(guó)的 Aqua Ventus I、日本的 Goto City 及中國(guó)的中電建海南萬(wàn)寧百萬(wàn)千瓦級(jí)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目（一期）為商業(yè)化項(xiàng)目，規(guī)模達(dá)355.7MW，且均在 2023-2025年間投產(chǎn)，商業(yè)化進(jìn)程顯著加快。

圖說(shuō)：全球各國(guó)對(duì)漂浮式海上風(fēng)電的規(guī)劃
來(lái)源：WindEurope， 北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)，天風(fēng)證券研究所

目前有許多國(guó)家競(jìng)相研發(fā)和規(guī)劃部署漂浮式海上風(fēng)電。歐洲在漂浮式海風(fēng)領(lǐng)域走在前列，蘇格蘭出臺(tái)了全球規(guī)模最大的漂浮式風(fēng)電開(kāi)發(fā)計(jì)劃，準(zhǔn)備在約8000平方公里的海域開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量達(dá)2800萬(wàn)千瓦的海上風(fēng)電，其中約六成為漂浮式風(fēng)電機(jī)組。挪威則計(jì)劃在2030年前建造更多漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)。除歐洲外，美國(guó)、韓國(guó)的漂浮式風(fēng)電規(guī)劃也較為可觀，韓國(guó)計(jì)劃2030年前投產(chǎn)6GW漂浮式海上風(fēng)電，美國(guó)則宣布了一項(xiàng)到2035年安裝15GW漂浮式風(fēng)電的計(jì)劃。

我國(guó)也在《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》 提出力爭(zhēng)“十四五”期間開(kāi)工建設(shè)我國(guó)首個(gè)漂浮式商業(yè)化海上風(fēng)電項(xiàng)目。國(guó)家能源局新能源和可再生能源司副司長(zhǎng)王大鵬10月16日在2023北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP 2023）上表示，“十四五”是我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)夯實(shí)發(fā)展基礎(chǔ)的關(guān)鍵時(shí)期，下一步國(guó)家能源局將結(jié)合“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃確定的重點(diǎn)任務(wù)，加大政策供給，完善體制機(jī)制，盡快出臺(tái)深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)相關(guān)政策，積極推動(dòng)近海海上風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展，組織開(kāi)展深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電示范，通過(guò)支持技術(shù)和模式創(chuàng)新推動(dòng)海上風(fēng)電持續(xù)降本增效，不斷提高經(jīng)濟(jì)性。

02--成本仍為制約因素

雖然漂浮式風(fēng)電發(fā)展前景廣闊，但仍面臨著成本挑戰(zhàn)。整體來(lái)看，高成本是當(dāng)前制約漂浮式海上風(fēng)電大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的主要因素，未來(lái)降本情況將是影響行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。DNV的海上風(fēng)電部門主管Magnus Ebbesen也認(rèn)為，漂浮式風(fēng)電的商業(yè)吸引力將取決于成本的降低和各個(gè)市場(chǎng)的不同價(jià)格。

根據(jù) BNEF研究數(shù)據(jù)，全球漂浮式海風(fēng)項(xiàng)目成本明顯下降，由 2008 年首個(gè)項(xiàng)目建成時(shí)接近30萬(wàn)元/kW 降至2019年40511元/kW 的造價(jià)，但目前單位成本較低的WindFloatAtlantic 2、Tetraspar Demonstration仍有 3.5/3.7萬(wàn)元/kW，約為固定式海風(fēng)的4倍。中國(guó)電建海風(fēng)公司數(shù)據(jù)則顯示，目前國(guó)際漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)成本在50元/W左右，中國(guó)的樣機(jī)項(xiàng)目建設(shè)成本在38-40元/W之間。

圖說(shuō)：全漂浮式海上風(fēng)電降低 LCOE 的可能途徑
來(lái)源：《FLOATING WIND: TURNING AMBITION INTO ACTION》，長(zhǎng)城證券產(chǎn)業(yè)金融研究院

Carbon Trust 預(yù)測(cè)，漂浮式風(fēng)場(chǎng)降本總空間達(dá)52%，其中平臺(tái)基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)降本空間最大，分別為16%、12%。Equinor 認(rèn)為，漂浮式風(fēng)電場(chǎng)單體規(guī)模的增大是降本的關(guān)鍵。與此同時(shí)，單機(jī)容量提升對(duì)于漂浮式項(xiàng)目降本效果明顯，根據(jù)Principle Power 披露數(shù)據(jù)，2011年投運(yùn)的WindFloat 1樣機(jī)的單機(jī)容量2MW，2021年投運(yùn)的Kincardine 項(xiàng)目單機(jī)容量9.5MW，雖然后者單機(jī)容量是前者的近5倍，但漂浮式基礎(chǔ)的重量不到前者的2倍。

03--單葉片風(fēng)機(jī)、雙葉片風(fēng)機(jī)或成漂浮式風(fēng)電未來(lái)趨勢(shì)？

價(jià)格壓力是技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力，技術(shù)進(jìn)步也成為了推動(dòng)漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展取得躍升的關(guān)鍵因素。因此，技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下的風(fēng)機(jī)樣式推陳出獲得了諸多關(guān)注。其中，荷蘭風(fēng)電技術(shù)開(kāi)發(fā)商TouchWind推出的單葉片浮式海上風(fēng)機(jī)可以降低成本和縮短停機(jī)時(shí)間。Seawind公司則在過(guò)去數(shù)年推出了多款雙葉片風(fēng)機(jī)機(jī)型，目前已分別在歐洲陸上和海上開(kāi)啟了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

有別于傳統(tǒng)像電風(fēng)扇的三葉片風(fēng)機(jī)，TouchWind公司研發(fā)的一體式單葉片浮式海上風(fēng)機(jī)只有一片一體式轉(zhuǎn)子葉片，看起來(lái)就像滑翔翼，中央垂掛一個(gè)筒狀物，風(fēng)機(jī)底部則是一個(gè)巨大的浮標(biāo)。

圖說(shuō)：風(fēng)速增加時(shí)單葉片能夠直立起來(lái)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)發(fā)電
來(lái)源：TouchWind

按照該風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，葉片以輕微向上的角度安裝在風(fēng)機(jī)支架上，在風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)因?yàn)榇沟醯耐矤钗锵蚺赃厓A斜，通過(guò)浮標(biāo)為其保持平衡；隨著風(fēng)速加大，葉片會(huì)快速旋轉(zhuǎn)，就像直升機(jī)的旋翼一樣產(chǎn)生推力將風(fēng)機(jī)拉正，浮標(biāo)可用作壓艙物確保葉片不被大風(fēng)吹走。與其他浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)一樣，該風(fēng)機(jī)不需要考量風(fēng)向，被動(dòng)地漂浮可以讓風(fēng)機(jī)自己找到最佳的風(fēng)向。

TouchWind公司公布的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，目前，市場(chǎng)上主流的風(fēng)電機(jī)組通常有3片葉片，風(fēng)機(jī)零部件組成相對(duì)復(fù)雜，出現(xiàn)故障的概率相對(duì)更高，并且在風(fēng)速超過(guò)25米/秒后就可能停止運(yùn)行，而這款單葉片風(fēng)機(jī)為一體式設(shè)計(jì)，安裝簡(jiǎn)潔方便，還能自動(dòng)調(diào)整自身位置，可適應(yīng)的最高風(fēng)速能夠達(dá)到70米/秒以上，尤其適合深海海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)。同時(shí)，更少的停機(jī)時(shí)間就代表，更長(zhǎng)的運(yùn)作時(shí)間、可帶來(lái)更多發(fā)電量。

圖說(shuō)：更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更大的掃風(fēng)
來(lái)源：Touchwind

除了具備潛在的發(fā)電優(yōu)勢(shì)，Touchwind公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官萊克斯·科力普還表示，與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相比，由于葉片以及零部件用量更少，且不需要任何昂貴的主動(dòng)葉片變槳控制系統(tǒng)，同等條件下單葉片風(fēng)機(jī)成本可降低30%左右。Touchwind同時(shí)表示，這項(xiàng)設(shè)計(jì)可以滿足12 MW 風(fēng)機(jī)所需的200米長(zhǎng)葉片，且能在港口制造并直接拖到現(xiàn)場(chǎng)。

自2019年以來(lái)，TouchWind 在荷蘭政府和支持公司的資助下一直在進(jìn)行測(cè)試，以展示其風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)的原理。2023年7月，TouchWind獲得了荷蘭企業(yè)局的撥款，用于制造多達(dá)10臺(tái)轉(zhuǎn)子直徑為6m（輸出功率12kW）的風(fēng)力渦輪機(jī)。近日，TouchWind公司宣布，獲得日本三井株式會(huì)社投資，雙方將進(jìn)一步加強(qiáng)新型浮式海上風(fēng)電技術(shù)研發(fā)合作，目前已經(jīng)完成了小規(guī)模的陸基和浮動(dòng)平臺(tái)原型，并開(kāi)始擴(kuò)大測(cè)試。

除了單葉片風(fēng)機(jī)，雙葉片風(fēng)機(jī)也取得了技術(shù)突破。歐洲風(fēng)機(jī)研發(fā)企業(yè)Seawind公司便是其中的代表，其在過(guò)去數(shù)年推出了多款雙葉片風(fēng)機(jī)機(jī)型，目前已分別在歐洲陸上和海上開(kāi)啟了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖說(shuō)：Seawind雙葉片轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)
來(lái)源：Seawind

Seawind 的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自直升機(jī)技術(shù)，采用獨(dú)特的雙葉片轉(zhuǎn)子，具有搖擺鉸鏈和偏航控制功能。偏航控制可以使風(fēng)力渦輪機(jī)在不需要葉片俯仰的情況下處理風(fēng)向和風(fēng)速。這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)較低的扭矩和較輕的傳動(dòng)系統(tǒng)，以獲得較高的轉(zhuǎn)速，從而降低疲勞度，延長(zhǎng)使用壽命。該設(shè)計(jì)施工更簡(jiǎn)單，成本更低，同時(shí)輸出功率更高，Seawind 宣稱這使其有能力超越所有現(xiàn)有的三葉片風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)。

圖說(shuō)：Seawind雙葉片轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖
來(lái)源：Seawind

Seawind 開(kāi)發(fā)的雙葉片浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)，集成了獨(dú)特的混凝土浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，適合安裝在所有海洋，包括深海（約200英尺）、超深海（最深近10,000 英尺）以及氣旋區(qū)域。更重要的是，渦輪機(jī)的使用壽命長(zhǎng)達(dá)50 年，而且在這些惡劣條件下幾乎無(wú)需維護(hù)。渦輪機(jī)在港口使用陸基起重機(jī)組裝，無(wú)需安裝船只。

Seawind 的最新型號(hào)雙葉片設(shè)備名為6-126 渦輪機(jī)，采用了獲得專利的搖擺鉸鏈技術(shù)，將軸與轉(zhuǎn)子分離，保護(hù)渦輪機(jī)免受潛在有害條件的影響。渦輪機(jī)還具有主動(dòng)偏航控制功能，可實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速。Seawind 已開(kāi)始在意大利港口區(qū)建立新的渦輪機(jī)生產(chǎn)和組裝設(shè)施的許可步驟，第一個(gè)新設(shè)計(jì)的半潛式浮動(dòng)平臺(tái)最早將于2024年第四季度部署和調(diào)試。該公司表示，其較小的6.4兆瓦設(shè)計(jì)最早將于今年推向市場(chǎng)，12.2兆瓦的設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)將于 2024年推向市場(chǎng)。

漂浮式海上風(fēng)電是海風(fēng)行業(yè)的下一個(gè)增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，但目前面臨著造價(jià)成本高、平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）高等挑戰(zhàn)。技術(shù)進(jìn)步將成為推動(dòng)漂浮式海上風(fēng)電降本和發(fā)展的關(guān)鍵，TouchWind和Seawind創(chuàng)新的葉片結(jié)構(gòu)有望成為漂浮式海上風(fēng)電的新思路，助力漂浮式海上風(fēng)電的騰飛。