第二风:浮式涡轮机能否重塑海上可再生能源?

从表面上看，坐落在挪威海岸的风力涡轮机的旋转叶片看起来与其他任何海上设备都很相似。

但在海浪之下，两者的区别才变得明显起来。

这是因为与传统的海上风力涡轮机不同，“海风”设备不是通过地基固定在海底，而是连接在漂浮在水中的圆柱形结构上。锚定在海底的缆绳防止它漂向大海。

现在，建造漂浮涡轮机的挪威国家石油公司正计划在苏格兰海岸建造5座6兆瓦的装置。

漂浮装置可以利用离岸更远处的巨大能源资源，那里的风速往往更高、更稳定

这个30兆瓦的试验风力发电场将于2017年在阿伯丁郡彼得黑德海岸约25公里处的Buchan Deep附近完工，这将是第一个这样的阵列。预计每年将产生约135千兆瓦时的能源，足够2万户家庭使用。

与固定的海上风力涡轮机不同，浮动装置可以放置在深达150米的深水中。这使得他们能够利用离岸更远处的巨大能源资源，那里的风速往往更高、更稳定。在离岸更远的地方，湍流也更低，这应该能确保涡轮机有更长的使用寿命。

在欧洲，超过一半的北海被认为适合浮式风力发电场，水深在50米到220米之间。欧洲风能协会(European Wind Energy Association)估计，北海50米深以上的涡轮机所产生的能量可以满足欧盟四倍的电力需求。因此，该技术在世界各地引起了越来越多的兴趣，在欧洲、日本和美国的沿海地区，已经有项目在建或正在筹备中。

在英国，这些项目位于苏格兰海岸附近，包括Buchan Deep基地和Kincardine和Dounreay附近的另外两个试点农场。

英国已经是公认的海上风力发电的世界领导者，装机容量超过5GW。英国政府和能源公司之间的公私合作伙伴——能源技术研究所(Energy Technologies Institute)估计，到2050年，这一数字可能会增加到20-55GW。

但在这样的水平下，距离海岸不到30公里、水深不超过40米的固定床风力涡轮机有吸引力的选址可能很少。在离海岸较远或较深的水域建造固定的海上涡轮机，会大大增加任何项目的成本和复杂性。

碳信托基金政策和创新经理罗德里·詹姆斯(Rhodri James)表示，海底的条件也会增加建造固定海上涡轮机的难度和成本，该基金在2015年发布了一份关于浮风的详细报告。

詹姆斯说:“许多固定项目发现自己面临着相当复杂的海床，特别是在土壤较硬的地方，因此有机会定位漂浮风，而固定风力发电场无法定位。”

此外，在海上安装漂浮式风力涡轮机比固定设备更便宜、更简单。这是因为在海底组装和安装固定涡轮机需要昂贵的重型起重船。

James表示，相比之下，大多数浮式风力设备可以在港口侧进行完全组装，然后使用成本较低且易于使用的拖轮将其拖至近海位置。

他说，随着该行业从4-6MW涡轮机发展到8-10MW及以上，这可能会产生相当大的差异。“随着涡轮机规模的增加，在港口组装设备并将其拖至现场的能力在未来10-15年左右将有利于浮风。”

海风结构可用于任何类型的风力涡轮机

詹姆斯说，因此，海上浮式风力发电场应该开始变得越来越有吸引力。

在苏格兰尤其如此，那里有很高的近海风速，很多地方的海水变得较深，相对靠近海岸。

在Buchan Deep, Statoil计划将其Hywind设备放置在水深约95-120m的地方。每个装置都将包括一个涡轮机，放置在一个被称为浮标的压舱钢筒的顶部。

这些结构将使用三条系泊线固定在海床上，同时一个俯仰运动控制器将防止它们在风浪中过度移动。

根据挪威国家石油公司的说法，Hywind结构可以与任何类型的风力涡轮机一起使用，只要机舱和转子的综合重量不超过维持稳定性所需的水平。

挪威国家石油公司发言人Elin Isaksen表示，自2009年以来，安装在挪威海岸、配备了一台2.3兆瓦西门子涡轮机的Hywind试点设备已成功运行，成为世界上第一台全尺寸浮动风力涡轮机。在此期间，它产生了大约32.5 GWh的电力。

“来自Hywind Demo的经验被用于进一步优化漂浮物运动控制器，以便更好地控制运动，”她说。“随着涡轮尺寸的增加，这将变得越来越重要。”

该公司希望该工厂将为漂浮风在全球开辟新的可能性，包括美国和日本。她表示:“我们相信，对于我们这样拥有油气行业技能的公司来说，浮式风能的工业化是一个关键机遇。”

Hywind工厂还将试点使用电池，以储存漂浮涡轮机产生的多余能量，以备在高需求时期使用。根据Statoil、苏格兰政府、Offshore Renewable Energy Catapult和Scottish Enterprise之间的协议，名为“Batwind”的1MWh锂电池储能系统将于2018年底安装在该油田。

虽然Hywind电厂将标志着多个涡轮机首次作为阵列安装在一起，但它绝不是唯一一个利用深水风力的项目。

在日本，一个名为“福岛前进”(Fukushima Forward)的项目自2013年以来一直在距日本东北海岸20公里的地点安装浮式涡轮机。

2011年的福岛核灾难激发了日本人对替代可再生技术的兴趣，特别是对海上风力发电的关注。但与英国不同的是，日本被深水包围，不适合固定床海上风力发电，而是浮式涡轮机的首选。

2013年，福岛前进项目在现场安装了一个2兆瓦的日立涡轮机和一个浮动变电站，2015年又安装了一个7兆瓦的设备，由三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)建造。今年7月，该团队安装了最后一个5兆瓦日立涡轮机，被称为福岛Hamakaze，使其成为世界上最大的浮动风力发电场，功率为14兆瓦。

与“海风”不同的是，2兆瓦和7兆瓦的福岛涡轮机都安装在半潜式或浮力稳定平台上，浮在水面上，半潜式。系泊线将平台固定在海床上。

用于支撑由三井公司建造的2兆瓦福岛未来(Fukushima Mirai)涡轮机的四柱半潜式平台已经经受住了里氏7.1级地震和小海啸以及两次台风的考验。

与此同时，福岛Shimpuu的7MW涡轮机安装在一个v形半潜器上，有三根柱子，其中一根支撑涡轮机。

相比之下，浮动变电站和Hamakaze涡轮机安装在由日本海洋联合公司(Japan Marine United)建造的先进桅杆设计上。这是一个比传统的浮标结构(如Hywind)更短的圆柱体，用于较浅的水域。鱼鳍安装在桅杆底部，有助于减少水中的摇摆。

詹姆斯说，尽管到目前为止，“福岛前进”项目取得了明显的成功，但该项目的成本一直很高。他说，尽管日本在这项工作的过程中积累了大量关于浮动风的知识，但该国缺乏欧洲通过固定风和油气行业建立的海上技术和基础设施的优势。

詹姆斯说:“然而，看看他们在这个项目的这个阶段之后会做些什么是很有趣的。”“有传言说要在2020年东京奥运会之前，建造同样的电站，最初的规模为1吉瓦，但很可能接近100兆瓦。”

与此同时，一个名为“WindFloat”的2兆瓦浮式涡轮机原型也在葡萄牙Aguçadoura海岸附近发电。该设备由美国的Principle Power公司开发，自2011年安装以来，已经为当地电网提供了超过16兆瓦时的电力。

该公司目前正计划在现场建造一个三个8.3兆瓦的涡轮机阵列。与原型机一样，WindFloat涡轮机将安装在一个由三列组成的半潜式轮毂上。

Principle Power还计划在苏格兰海岸再建一座电厂，并在美国夏威夷和俄勒冈州建一系列电厂。

今年夏天，法国海上风力发电公司Eolfi赢得了在布列塔尼海岸格鲁瓦岛建造一个由四台6兆瓦通用电气涡轮机组成的浮动风力发电场的竞标。涡轮机将安装在四柱半潜浮筒上，由法国海军制造商DCNS与建筑公司Vinci合作建造。

该风力发电场将停泊在距离海岸约14公里的地方，并通过水下电缆与海岸相连，并签署了一份为期20年的电力购买协议。

据Eolfi公司海事高级项目经理马克·兰尼介绍，每艘8米宽的星形漂浮物由混凝土和钢铁建造，用7000吨海水进行压舱。

他说:“我们希望在2020年将这些设备安装在海上，这是一个相当激进的目标。”

兰尼说，法国对这些机会的认识相对较晚。因此，该国错过了从固定床海上风电的先发优势中获益的机会，但现在认识到浮动风电提供的机会，他说。

兰尼说:“有了浮风，它更灵活，它离海岸更远，这意味着它不那么突兀，而且制造更容易，因为一切都可以在港口建造。”

一旦试点风力发电场投入运行，Eolfi希望能在几年内迅速建立一个商业工厂。尽管该公司目前依赖法国政府的拨款，但它希望在10-15年内能够与近海风能的市场价格竞争。

如果这项技术得到所需的支持，“海风”电厂将成为众多海上风力发电场中的第一个。

同样，挪威国家石油公司估计，其浮动风力发电场的电力成本(LCOE)最终可以达到85-95英镑/兆瓦时。

据碳信托的詹姆斯说，到目前为止，来自技术开发人员的数据表明，这个数字应该是可以实现的，最终应该可以使它在成本上与固定风力竞争。

他说:“至少在未来5年，甚至可能在未来10年，浮动风力发电将比固定风力发电更贵，但成本肯定会下降。”“当然，有研究表明，到2030年，它应该开始与固定风力持平。”

但他认为，浮风只有在得到正确支持的情况下才能成功。在过去，由于被归为固定海上风力发电的同类，该技术受到了一定的影响。相反，它需要作为一种独立的技术来对待，并建立起自己的支持机制。

但如果该技术得到所需的支持，Hywind电厂可能是众多海上风力发电场中的第一个。