新型清潔能源海上風電——“電從海上來”

海風輕拂，“風車”轉動，一座座海上風電機組源源不斷送來電能，“電從海上來”的場景正在我國沿海不斷出現(xiàn)。

自2007年建成第一臺海上風電機組至今，我國海上風電實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。海上風電裝機容量從2015年的104萬千瓦增至3650萬千瓦，占全球海上風電裝機容量的近一半，位居世界第一。我國已形成從開發(fā)設計、生產制造到施工建設、運維管理較為完整的海上風電技術鏈、產業(yè)鏈。2023年，我國風電機組、葉片、齒輪箱、發(fā)電機、固定式基礎等產能占全球產能比重均超過60%。

能源是人類賴以生存的基礎，構建新型能源體系是時代向我們提出的課題。國務院印發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》提出，堅持陸海并重，推動風電協(xié)調快速發(fā)展，完善海上風電產業(yè)鏈，鼓勵建設海上風電基地。作為優(yōu)質清潔能源，海上風電是新型能源體系的重要組成。我國海上風能資源豐富，大力發(fā)展海上風電對保障我國能源安全、推進綠色低碳轉型、實現(xiàn)碳達峰碳中和目標具有重要意義。

助力經濟社會綠色可持續(xù)發(fā)展

我們?yōu)槭裁匆呦蚝Ｑ?，發(fā)展海上風電？

為提升清潔能源供應保障能力。從自然條件上看，我國沿海5米—50米水深、海平面以上70米高度的海上風電資源可開發(fā)量超過5億千瓦。海上平均風速比陸上高20%左右，海上風電年平均利用小時數(shù)超過2500小時，最高可超過4000小時，平均比陸上風電高500小時左右。從區(qū)域經濟上看，我國東部沿海地區(qū)經濟發(fā)達，是重要的用電負荷中心，海上風電靠近沿海省份，就近接入，對保障東部地區(qū)能源電力供應、提高非化石能源消費比重具有重要作用。此外，海上風電還能與“西電東送”形成時間、空間上的互補，保障我國電力系統(tǒng)運行的可靠性和充裕性。

有助于推動海洋強國建設。發(fā)展海上風電能夠帶動海洋測風、海洋工程等相關上下游產業(yè)鏈聯(lián)動發(fā)展，助力海上風能與海洋潮汐能、海上光伏、氫能、海上油氣資源等協(xié)同開發(fā)，實現(xiàn)設施共享、聯(lián)合運維，促進海上新型能源產業(yè)發(fā)展。海上風電還可以和海洋牧場、海洋監(jiān)測、旅游服務等共同發(fā)展，實現(xiàn)“海上糧倉+清潔能源”立體開發(fā)，提高海洋資源綜合利用效率。通過多領域深度融合，將有力推動海洋資源開發(fā)向循環(huán)利用型轉變。

新能源技術和電力科技新高地

要在汪洋大海上建起“發(fā)電廠”，面臨諸多技術挑戰(zhàn)。海上風電場處在強風、大浪、咸水腐蝕的復雜海洋環(huán)境中，風機基礎要承受風、浪、海流等多種載荷，長距離的海底輸電線路需具備防水、耐腐蝕、抗機械牽拉及外力碰撞等多重性能，機組安裝還要利用大型海上專業(yè)施工船舶作業(yè)。因此，海上風電對裝備設計、制造、建設、安裝技術和建成后的機組運維、故障處理要求都很高。

近年來，我國海上風電核心裝備技術水平快速提升，已具備大容量海上風電機組自主設計、研發(fā)制造、安裝調試、運行檢修能力，零部件整體國產化率達到90%以上，為解決上述難題提供了有效方案。

制造大容量風電機組可以有效提升風能開發(fā)利用水平，降低單位容量工程投資和安裝施工運維成本，是海上風電技術發(fā)展的主要方向。我國自主研發(fā)的B1260A型葉片長度達126米，是全球最長風電葉片。2023年7月，全球首臺16兆瓦海上風電機組在福建海上風電場成功并網發(fā)電。機組輪轂中心高度152米，相當于50層樓高，葉輪掃風面積約5萬平方米，相當于7個足球場，葉片每轉1圈，可發(fā)電約34千瓦時，每年可輸出超6600萬千瓦時清潔電能，滿足3.6萬戶三口之家一年的用電量。主軸承如同海上風電機組的“關節(jié)”，是決定機組設備使用壽命的關鍵。緊隨新型葉片，我國自主研發(fā)的18兆瓦海上風電主軸承在2023年8月下線，實現(xiàn)了大功率風機軸承國產化。

不只風電機組，海上風電是復雜的系統(tǒng)工程，需要并網送出、海上施工、運行維護等配套工程技術配合。柔性直流輸電技術具有潮流反轉方便快捷、事故后快速恢復供電以及黑啟動等諸多優(yōu)點，能有效解決海上風電場大容量、遠距離輸電問題。2021年，我國首個海上風電柔性直流輸電工程——江蘇如東海上風電±400千伏柔性直流輸電系統(tǒng)成功并網，在建的廣東陽江青洲海上風電項目則采用更先進的±500千伏柔性直流輸電技術。設備運輸、安裝施工、運行維護也需要研制專門的船舶。2022年，國內首艘第四代海上風電安裝平臺“白鶴灘”號交付使用。該船配備的繞樁式起重機可以起吊2000噸的風電基礎和風機設備，相當于吊起1300輛家用小汽車，增強了我國近海深水區(qū)及深遠海風電機組施工安裝能力。2023年11月，配置了智能運維信息化系統(tǒng)、海纜敷設及海纜搶修等系統(tǒng)的多功能風電運維母船“海峰3001”號投入使用，助力解決海上風電運維的痛點和難點。

規(guī)劃引領，科技支撐，實現(xiàn)海上風電高質量發(fā)展

深遠海風能資源可開發(fā)量是近海的3倍以上，發(fā)電更加穩(wěn)定，是海上風電開發(fā)的重點?！?ldquo;十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出，鼓勵建設海上風電基地，推進海上風電向深水遠岸區(qū)域布局。我國沿海省份紛紛制訂海上風電發(fā)展規(guī)劃，推動海上風電由近及遠有序開發(fā)。深遠海意味著新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)固定式基礎施工成本高、受海底地形與暗流影響大，深遠海漂浮式風電技術應運而生。去年5月，我國首座深遠海漂浮式風電平臺“海油觀瀾號”并網發(fā)電，工作海域距離海岸線100公里以上、水深超過100米，年均發(fā)電量可達2200萬千瓦時。

矚目未來，海上風電將在能源轉型中扮演更加重要的角色。根據東部沿海各省份海上風電發(fā)展規(guī)劃測算，預計到2030年，我國海上風電裝機將達到1.5億千瓦，海上風電發(fā)電量占東部沿海地區(qū)用電量比重將達到約10%；到2060年，海上風電裝機將超過10億千瓦，海上風電發(fā)電量占東部沿海地區(qū)用電量比重將超過30%。海上風電開發(fā)要素多、投資大、風險高，要加強資源勘測，建立海洋空間大數(shù)據庫，開展海上風電資源開發(fā)利用總體規(guī)劃，推進集約化、規(guī)?；_發(fā)，提升資源開發(fā)整體效益。

新的目標，對風電開發(fā)基礎能力提出新的要求。面對復雜開發(fā)環(huán)境以及發(fā)電預測、電力消納難以準確評估的難題，需要加強資源評估、微觀選址、設備選型、并網分析等環(huán)節(jié)全過程協(xié)同設計與優(yōu)化迭代，構建海上風電全過程協(xié)同開發(fā)體系。建立適應不同應用場景的精細化仿真平臺，提高新裝備與新技術驗證水平，降低海上風電項目開發(fā)技術風險。建立海上風電技術標準和檢測認證體系，實現(xiàn)技術產品標準化、序列化。開發(fā)高效率成套測試驗證平臺，以標準化促進技術成果應用、提高生產效率。健全綠色產品標準認證體系，推行綠色設計、綠色制造、綠色建造，促進資源循環(huán)再利用。

關鍵領域科技創(chuàng)新時不我待。進一步降低海上風電建設成本、提升開發(fā)利用效率，需要發(fā)揮科技創(chuàng)新引領作用，加強項目勘察、設計、施工、安裝、運維等技術研發(fā)，突破大型碳纖維葉片等技術瓶頸，發(fā)展海上風電柔性直流輸電、海上換流平臺緊湊型輕量化等技術。研發(fā)適應深遠海域的超大型安裝平臺，讓數(shù)字化技術與深遠海資源勘測、項目建設、智能運維等環(huán)節(jié)深度融合。

隨著海上風電技術進一步發(fā)展，相信會有更多機組挺立在大海之上，為經濟社會發(fā)展持續(xù)注入綠色能量。

（作者：中國工程院院士、中國電機工程學會理事長 舒印彪）

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《海上風電場技術》：劉永前主編；電子工業(yè)出版社出版。

《海上風電與海洋牧場融合技術與產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀》：陳華譜、王葉主編；中國科學技術大學出版社出版。

《智慧海上風電場》：羅必雄、喬旭斌、陳亮主編；中國水利水電出版社出版。