2022年世界海洋日前夕，記者從自然資源部獲悉，按《2021年中國海洋經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》最新數(shù)據(jù)，目前我國海洋清潔能源開發(fā)勢頭強(qiáng)勁，2021年全國海上風(fēng)電新增并網(wǎng)容量1690萬千瓦，同比增長4.5倍，累計(jì)容量躍居世界第一。
 

我國海上風(fēng)電新增容量連續(xù)多年領(lǐng)跑全球。據(jù)國際能源署預(yù)測，2040年我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量將與整個歐盟相當(dāng)，減排能力將進(jìn)一步提升。
 

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今發(fā)展最快的綠色能源之一。與陸地風(fēng)電不同，海上風(fēng)電更少受占用土地、噪聲污染等因素制約。就資源稟賦來看，我國經(jīng)濟(jì)重心在東南沿海，而傳統(tǒng)能源主要分布在西北內(nèi)陸，海上風(fēng)電有利于彌補(bǔ)這種能源供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)重心逆向分布之不足。
 

“向海爭風(fēng)”的一大支撐是海洋高端裝備研發(fā)制造能力的迅速提升。2021年，我國自主研發(fā)制造的抗臺風(fēng)型漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組在廣東并網(wǎng)發(fā)電，國內(nèi)首個“海上風(fēng)電+儲能”海上風(fēng)電場建設(shè)進(jìn)入儲能交付期，多項(xiàng)技術(shù)全球領(lǐng)先。
 

去年7月，我國在廣東陽江海域成功安裝了國內(nèi)第一臺漂浮式海上風(fēng)電組，它的單機(jī)容量達(dá)5500千瓦，每年可以為3萬戶家庭提供清潔電力。這意味著繼光伏之后，海上風(fēng)電也闖入了“清潔能源”的賽道。

 

踩著鋼絲發(fā)電
 

海上風(fēng)電的技術(shù)難度有多大？
 

風(fēng)電機(jī)的一部分是漂浮在海面上的， “頭重腳輕”的它看起來似乎搖搖欲墜。尤其是一旦遭遇臺風(fēng)，在發(fā)電之前，風(fēng)電機(jī)先倒下了怎么辦？

 

實(shí)際上風(fēng)電機(jī)不僅抗風(fēng)，能抗的甚至是17級的臺風(fēng)，這樣的成就，放眼全球都是第一例。它究竟是怎么做到的？

 

人們最開始制造海上風(fēng)電機(jī)的時候，也完全是按照地面上的思路去造的。

 

最廣為人知的第一種方法就是“打樁”，簡單來說就是在海床上開一個“洞”，把海上工程的“腿”插在里面，使用天然水壓和沙土的力量穩(wěn)固工程的根基。

 

 

只不過打樁這種方法需要受到一些限制條件，比如水不能超過一定的深度，以及海床的地面不能過于“松軟”，否則都容易導(dǎo)致打樁的工程失敗。

 

除此之外，海上打樁需要用到一種叫深層水泥攪拌船（DCM船）的裝備，加上造船的成本，用來建造海上機(jī)場那種四平八穩(wěn)的工程倒是很好用，用來做風(fēng)電機(jī)這種豎直的、高聳的工程，可就不太合適了。

 

 

而第二種方法，就是打造一個巨大的、沉重的重力基礎(chǔ)，用它的自重將它穩(wěn)固在水中。

 

這種方法最著名的運(yùn)用其實(shí)是三峽大壩，能抗的水壓大家也都有目共睹，同理，抗個海風(fēng)自然也是不成問題的。

 

但重力基礎(chǔ)和打樁面對著同樣的顧慮，那就是它更適合那種“大塊頭”，而非“高個子”的工程，而且水越深，重力基礎(chǔ)所需要的材料越多，穩(wěn)固性也越差，除此之外，它還需要對海床的要求還很高，不是平整的地面就很難建設(shè)，十分麻煩。

 

這兩種方法，雖然能在大型海工中大放異彩，但用于海上風(fēng)電機(jī)就顯得有點(diǎn)雞肋了，人們急需一種更適應(yīng)海洋環(huán)境、成本更低、泛用性更廣的“地基”。

 

直到2007年，世界上才第一次出現(xiàn)了漂浮式基礎(chǔ)。漂浮式基礎(chǔ)主要有三種，分別是單柱式、半潛浮式和張力腿式。

 

單柱式平臺

 

“漂浮”和“基礎(chǔ)”兩個詞，看似是矛盾的，實(shí)則不然。因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)看似是整個地浮在水上，其實(shí)海面下還藏有幾十米、甚至是上百米的桿體，在水面交界處，還專門設(shè)置有一個浮臺。

 

與此同時，水底下還有好幾個“秤砣”，這些秤砣每一個都重達(dá)幾千噸，以一種平衡的方式固定在水中，用牽引繩扯住風(fēng)電機(jī)的“腰部”，將其牢牢固定住，不會在海面上飄遠(yuǎn)。

 

由于海上風(fēng)機(jī)的柱子并不粗壯，所以浮水平臺也很小，在多方的牽制下，雖然會小范圍浮動，卻因此不會被刮倒了。它利用了阿基米德的浮力原理：完全或部分浸入水中的物體會經(jīng)歷垂直向上的推力，算是某種意義上的“以柔克剛”。

 

 

半潛浮式平臺

 

這種方式的設(shè)計(jì)思路是：最大限度地減少暴露在水中的表面積，改而增加體積，從而為風(fēng)電機(jī)提供大量浮力。

 

可惜，如果要達(dá)到這個目的，最好的選擇是制造一個球體，但球體的實(shí)際使用效果并不佳，因此退而求其次采用了圓柱體。

 

這些圓柱體垂直分布，組成了一個三角或四角形的平臺，彼此之間的距離都大有講究，決定了最終的穩(wěn)定性。

 

而風(fēng)電機(jī)就放在其中的一個圓柱上，顯得不太對稱，但正是這種不對稱的結(jié)構(gòu)，決定了它在經(jīng)受風(fēng)力攻擊的時候，可以自行旋轉(zhuǎn)，調(diào)整壓載重量，從而維持住在海面上的平衡。

 

 

我國的這臺漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組就是使用的半潛浮式平臺，它的最大抗風(fēng)能力達(dá)到了17級臺風(fēng)，也是全球第一臺抗臺風(fēng)級的漂浮式海上風(fēng)電機(jī)，完全演繹了什么叫不動如山、大國重器。

 

張力腿平臺

 

這是一種風(fēng)險(xiǎn)和利潤并存的方式，它的平臺是三、四或五臂構(gòu)成的星型幾何形狀，通過特殊的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于自重的浮力，即使不需要安裝風(fēng)力渦輪機(jī)，也可以達(dá)成平衡。

 

這種方式雖然已經(jīng)有理念，但主要是用在海洋油氣開發(fā)工程之上，尚未在海上風(fēng)電領(lǐng)域有具體的運(yùn)用。

 

 

海上漂浮式風(fēng)電的前景怎么樣？中國能爭取嗎？

首先，海上風(fēng)電相較于地面風(fēng)電已經(jīng)有很多優(yōu)勢：首先是無需占用土地，能夠連片開發(fā)；

 

其次是海面上的風(fēng)力沒有阻擋，比地面上的更為強(qiáng)勁，發(fā)電的能量密度更大；

 

最后，耗電最大的往往是沿海的發(fā)達(dá)城市，而海上風(fēng)電正好填補(bǔ)了這個缺口……

 

 

而海上風(fēng)電中，漂浮式風(fēng)機(jī)無疑是最先進(jìn)的，因?yàn)樗梢园惭b在固定式風(fēng)電機(jī)到不了的深度，因?yàn)楹笳咝枰４沧鳛榛A(chǔ)，所以只能在最多30米的水深下進(jìn)行安裝。

 

而漂浮式就不一樣了，水越深，它越高興，可安裝的范圍達(dá)到了60~300米之間，這造就了它超乎尋常的泛用性。

 

除此之外，固定式風(fēng)電場的安裝需要使用大量的基礎(chǔ)船只，如之前提到過的DCM船，同樣建在海底下的“地基”也是一筆不菲的成本；

 

而漂浮式風(fēng)電場的大多數(shù)工序，如制造、組裝等工作，都可以在港口完成，之后只需要使用拖船和電纜敷設(shè)船將它運(yùn)到指定位置即可，節(jié)省了一大筆成本，在工藝成熟之后，工人數(shù)量和建造時間也可以大幅度縮減。

 

可想而知，由于近海的資源有限，今后世界上的海上風(fēng)電也大概率會將漂浮式作為主要的發(fā)展方向，我國也不例外，我國近期研究出的，能抗17級臺風(fēng)的海上風(fēng)電機(jī)就是其鐵證。