“每十年，海上風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)機(jī)直徑就增加50米。”明陽智慧能源集團(tuán)有限公司執(zhí)行總裁首席技術(shù)官張啟應(yīng)在2018粵港澳大灣區(qū)電力創(chuàng)新高峰會上如是形容海上風(fēng)電機(jī)組大型化的發(fā)展趨勢。

根據(jù)彭博新能源財經(jīng)的預(yù)測：2015年至2020年的海上風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量在5.1MW，而2020年至2025年的平均單機(jī)容量在6.6MW。

單機(jī)容量更大，意味著風(fēng)機(jī)直徑也更大。1983年，海上風(fēng)電主流風(fēng)機(jī)直徑只有16米，1993年約為65米，2003年增加到116米，2013年達(dá)到了164米。而如今，GE正在研發(fā)的12MW海上風(fēng)機(jī)直徑將達(dá)到220米。

在張啟應(yīng)看來，海上風(fēng)電機(jī)組的進(jìn)化遵循著摩爾定律。“那么，什么時候是個極限呢?”他十多年前剛?cè)胄械臅r候就這樣問過?，F(xiàn)在看來，大家也說不清楚什么時候是個極限。在競價降成本的環(huán)境下，大容量的海上風(fēng)電機(jī)組被寄予希望。

市場競爭推動風(fēng)機(jī)大型化

從陸地到海上，在張啟應(yīng)看來，海上風(fēng)電類似生物進(jìn)化進(jìn)程一樣。因?yàn)樵诤Ｉ?，風(fēng)機(jī)需要面對更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在海上，風(fēng)電機(jī)組面臨的自然條件更加惡劣、多變。海上鹽霧會造成機(jī)體腐蝕、浪潮增加載荷、海床地形復(fù)雜增加建設(shè)難度以及遠(yuǎn)離陸地、極端天氣增加的運(yùn)維成本等。

大容量機(jī)組被認(rèn)為更適合在海況復(fù)雜的地區(qū)使用。我國沿海不同地區(qū)的海床結(jié)果差異較大，從松軟的灘涂到堅(jiān)硬的巖石，海床條件不佳，在海上風(fēng)電場的設(shè)計與施工過程中，容易遇到風(fēng)機(jī)點(diǎn)位較少的情況。采用大容量機(jī)組，可以減少設(shè)計與施工難度，減少施工投資成本。

例如，在環(huán)渤海地區(qū)，海床地質(zhì)條件復(fù)雜、海冰災(zāi)害嚴(yán)重等問題會對機(jī)組基礎(chǔ)造價產(chǎn)生不利影響。采用更大單機(jī)容量的海上機(jī)型，可以減少機(jī)組數(shù)量，減少上述問題帶來的影響。

丹麥風(fēng)能咨詢機(jī)構(gòu)MAKE在2017年底發(fā)布的《全球風(fēng)機(jī)趨勢》報告指出，主要風(fēng)電市場的競爭推動了更大渦輪機(jī)和更長葉片的發(fā)展趨勢，特別是在歐洲。

GE正在研發(fā)風(fēng)機(jī)直徑達(dá)到220米的12MW的海上風(fēng)電機(jī)組。GE全球海上風(fēng)電工程及技術(shù)總監(jiān)文森特·謝林斯(Vincent Schellings)告訴eo，目前機(jī)組研發(fā)進(jìn)展順利，樣機(jī)預(yù)計在明年第二季度進(jìn)行安裝。

文森特•謝林斯介紹，在同樣規(guī)模的風(fēng)電場中，使用12MW的風(fēng)機(jī)比使用6MW風(fēng)機(jī)的所需的風(fēng)機(jī)數(shù)量少一半，這也就意味可以使用更少的基座、海底纜線等。GE根據(jù)中國海域水深25米、硬砂質(zhì)土、風(fēng)速9米/秒、規(guī)模為400MW風(fēng)電場的情況進(jìn)行估算，在單樁基礎(chǔ)方面，6MW的風(fēng)機(jī)需要的基礎(chǔ)重量為626噸、最大直徑為7米、每千瓦造價為人民幣3151元，12MW需要的基礎(chǔ)重量為925噸、最大直徑為9米、每千瓦造價為人民幣2262元;在吊裝方面，6MW風(fēng)機(jī)的周期為143天、每千瓦造價為人民幣427元，12MW風(fēng)機(jī)的周期為77天、每千瓦造價為人民幣318元。總體上看，能為風(fēng)場降低的基礎(chǔ)和施工成本高達(dá)28%，同時有助于降低安裝風(fēng)險。

安永全球顧問委員會在2015年進(jìn)行的一項(xiàng)研究就發(fā)現(xiàn)，到2030年，海上風(fēng)電每兆瓦時有望降至90歐元(折合人民幣約702.9元)。其中關(guān)鍵的成本措施包括：部署更大的風(fēng)機(jī)以增加風(fēng)能可降低9%的成本，鼓勵更多的競爭可為成本降低7%，保持總量上升和規(guī)模化發(fā)展可減低7%的成本，供應(yīng)鏈優(yōu)化和物流整合可能會節(jié)省3%的成本。

“中國現(xiàn)在用競價上網(wǎng)的模式替代固定電價，使得能源的成本快速降低，大型的風(fēng)機(jī)是一種途徑。”文森特•謝林斯說。

我國目前正在推動大容量風(fēng)機(jī)的發(fā)展。國家能源局在2016年12月印發(fā)的《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》中指出，“十三五期間重點(diǎn)研究 8MW~10MW 陸/海上風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)，并且提出實(shí)現(xiàn)5-6MW等級大型海上風(fēng)電機(jī)組的安裝規(guī)范化和機(jī)組運(yùn)維智能化。

在我國沿海地區(qū)，也在大力發(fā)展大容量機(jī)型。例如，江蘇省人民政府在2017年2月發(fā)布的《江蘇省“十三五”海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確強(qiáng)調(diào)要重點(diǎn)發(fā)展具有世界先進(jìn)水平的6MW以上海上風(fēng)電機(jī)組及關(guān)鍵零部件。山東省2018年5月發(fā)布的《山東海洋強(qiáng)省建設(shè)行動方案》提到，加強(qiáng)6兆瓦、8兆瓦、10兆瓦及以上大功率海上風(fēng)電設(shè)備研制及使用。

被寄予帶動其他行業(yè)發(fā)展的希望

大容量機(jī)組為了具備一定的掃風(fēng)效率須使用更長的葉片，同時機(jī)艙、輪轂、發(fā)電機(jī)等部件的尺寸也較小容量機(jī)組更大。在公路運(yùn)輸中，轉(zhuǎn)彎半徑、限寬限高等會對大容量機(jī)型帶來挑戰(zhàn)。

以GE HALIADE 150-6MW風(fēng)機(jī)為例，其葉片達(dá)到73.5米，長度相當(dāng)于兩架機(jī)型為C919飛機(jī)長度之和。將此葉片從西班牙工廠運(yùn)輸?shù)疆?dāng)?shù)馗劭?，再由海運(yùn)至德國，最終安家落戶在北海上的默克風(fēng)場，并非一件容易的事情。在其首次運(yùn)輸，從西班牙卡斯特利翁LM風(fēng)電機(jī)葉工廠出發(fā)，到達(dá)卡斯特利翁港，陸運(yùn)距離45千米，實(shí)際運(yùn)輸時間為3.5小時，期間還有警車的護(hù)送以保證安全。此次項(xiàng)目負(fù)責(zé)人何塞·路易斯·格勞(Jose Luis Grau)和他的團(tuán)隊(duì)花了13個月，在聯(lián)系了當(dāng)?shù)卣透蹌?wù)局之后，才研究出相應(yīng)的運(yùn)輸方案。

73.5米長風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)輸過程(西班牙)↓

有行業(yè)從中看到了帶動其行業(yè)發(fā)展的機(jī)會。在荷蘭阿姆斯特丹舉行的2018年國際直升機(jī)技術(shù)研討會(Helitech International 2018)上，離岸風(fēng)電咨詢公司(Offshore Wind Consultants Ltd.)高級主管哈立德•卡姆哈維(Khalid Kamhawi)表示:“離岸風(fēng)電行業(yè)是一個可行且可持續(xù)發(fā)展的行業(yè)，投資這個行業(yè)就等于投資于未來。”

隨著海上風(fēng)電場和風(fēng)機(jī)規(guī)模越來越大，直升機(jī)可以在操作和維護(hù)期間提供支持，這將為直升機(jī)運(yùn)營商提供很多的機(jī)會。

哈立德•卡姆哈維說，直升機(jī)可以在風(fēng)力發(fā)電場的整個生命周期中使用，從最初的勘探到建造到維護(hù)，都可以為直升機(jī)行業(yè)提供大量的工作機(jī)會。

但是用直升機(jī)運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性還有待觀察。

大容量風(fēng)機(jī)在國內(nèi)尚處于起步階段，仍有考驗(yàn)

國內(nèi)目前具備一定大容量海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計制造能力，但仍處于樣機(jī)試驗(yàn)階段，尚未進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)階段，初期價格會比較高。水電水利規(guī)劃設(shè)計總院副院長易躍春在2018年12月8日舉辦的第三屆全國海上風(fēng)電工程技術(shù)大會上介紹道，風(fēng)電機(jī)組的價格4MW和5MW大約在6000元左右，6MW以上由于沒有大批量應(yīng)用，研發(fā)成本較高，單位造價比較高。

作為風(fēng)電機(jī)組開發(fā)的最后環(huán)節(jié)，風(fēng)電機(jī)組形式認(rèn)證尤為重要。風(fēng)電機(jī)組整機(jī)的型式認(rèn)證包括設(shè)計評估、型式試驗(yàn)和工廠審查等模塊。有風(fēng)機(jī)制造企業(yè)人士曾向eo表示，風(fēng)機(jī)必須有型式認(rèn)證才能并網(wǎng)。但目前國內(nèi)取得型式認(rèn)證的大容量海上風(fēng)機(jī)并不多。根據(jù)公開信息，目前獲得型式認(rèn)證的機(jī)型有獲得中國電科院頒發(fā)型式認(rèn)證證書的中國海裝H171-5.0MW機(jī)組，獲得DNV GV頒發(fā)型式認(rèn)證證書的遠(yuǎn)景能源EN-148/4.5MW海上風(fēng)機(jī)，以及獲得中國質(zhì)量認(rèn)證中心頒發(fā)的形式認(rèn)證A證的東方風(fēng)電DEW-G5000海上風(fēng)機(jī)。

未來容量更大機(jī)組，也需要能夠承載相當(dāng)重量的基礎(chǔ)，與大容量機(jī)組配套的相關(guān)設(shè)備和技術(shù)也需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，而這還需要一定的時間。

“(風(fēng)機(jī))捕風(fēng)能力增強(qiáng)同時，需要支撐結(jié)構(gòu)來使其在風(fēng)中保持平穩(wěn)。”文森特•謝林斯就12MW的風(fēng)機(jī)曾表示，“當(dāng)風(fēng)機(jī)尺寸擴(kuò)大的時候，風(fēng)機(jī)成本上升的速度將比其帶來的收益更快。”為解決這個問題，他和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計了專門的軟件，通過程序處理風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)并抵消風(fēng)產(chǎn)生的強(qiáng)力，并且?guī)椭刂浦谓Y(jié)構(gòu)的大小和重量。

此外，有海上風(fēng)電從業(yè)人士表示，即便最后風(fēng)機(jī)的價格降下來了，運(yùn)維管理的降成本空間也不可忽視。他們根據(jù)歐洲成熟的海上風(fēng)電場全生命周期的成本進(jìn)行過分析，資本性投資支出(Capital Expenditure)和運(yùn)維管理支出(Operating Expense)在海上風(fēng)電場全生命周期支出的占比分別為69%和31%。其中，資本性投資支出包括風(fēng)電機(jī)組(33%)、基礎(chǔ)(20%)、安裝(6%)、電氣系統(tǒng)(7%)、項(xiàng)目管理(2%)及其他(1%)費(fèi)用。該人士指出，目前而言，海上風(fēng)電在我國尚處于起步階段，還沒有全生命周期而言。

風(fēng)機(jī)及各部件的可靠性、海上天氣、運(yùn)維人員配置、交通工具以及備件管理等都對海上風(fēng)電運(yùn)維管理成本造成影響，如果不采取相關(guān)措施加以規(guī)范控制不必要的支出，容易增加運(yùn)維管理的比例。