海上风力发电技术研究现状及发展趋势
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李（湖南工程学院机械工程学院 湖南湘潭 411100）
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陈求实（湖北工业大学工程技术学院机械工程系 湖北武汉 430068） 摘要：风是一种潜力很大的新能源，在各类新能源开发中, 风力发电是技术相对成熟、并具有大规模商业开发条件的发电方式。近几年海上风电发展迅速，其优势日益凸显。本文介绍了海上风电的技术特点，对漂浮式海上风电技术和海上风电制氢技术的应用进行探讨。随着“双碳”目标的提出，海上风力发电作为重要的新型清洁能源之一，必将大有可为。
关键词：海上风电、清洁能源、发展趋势
0引言
随着全球变暖趋势不断增加，减少碳排放以应对气候变化逐步成为国际共识，世界各国争相寻求能源转型道路，发展绿色低碳能源，新型的清洁能源取代传统能源已成为大势所趋。风能作为一种清洁的可再生能源非常具有开发前景，风力发电技术在利用风力进行发电在各国的共同努力下已成为世界上发展最快的绿色能源技术之一
。
我国海上风能资源丰富，海上风电正开始大规模开发，并且随着海上风力发电技术能力的进步以及装备制造水平的不断更新升级，我国海上风电产业发展日新月异。
1 风力发电的技术原理及特点
1）技术原理
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风力发电的原理，是利用风力带动风轮的旋转，将风的动能转化为风轮轴的机械能，风轮轴再通过齿轮箱增速器将旋转的速度提高拖动发电机发电，。依据目前的风车技术，大约是每秒3公尺的微风速度，便可以开始发电。如图1。
风力发电机通常由风轮（含轮毂、叶片等）、增速器（齿轮箱）、偏航系统、电气系统、塔架（塔筒）等组成，。如图2所示。其中，风轮用来接收风力，偏航系统则可以在风向发生变化时，改变风轮的方向使其始终对准风向从而获得最大的风能。增速器（齿轮箱）可以将风轮较低的转速变成较高的发电机转速，。同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出。塔架主要用于支撑发电机组。
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图 1 风力发电原理
图 2 风力发电机结构
2）技术特点
风力发电是一种可再生的清洁能源，其不消耗化石燃料也不污染环境；而且风力发电建设周期短，几十兆瓦规模的项目建设周期在1年左右；风力发电方式也逐渐多样化既可并入常规电网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发
电等、水利发电机组形成互补系统，还可以运行。，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。
但是，风力发电也存在一些问题，比如风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风；再比如风力发电的噪声危害也比较大；且风电机组庞大，用地面积巨大。
不过相对于陆地，海上风力发电系统有着不占用土地资源、机组距离海岸线较远产生的噪音可忽略不计、海上风力相对稳定等特点。
2 海上风力发电技术特点
进年来，风电场建设的选址从陆地走向海洋，海上风电正在蓬勃发展（图3）。其有以下特点。
1）海上风电发电效率高效率高
海上风电具有风能资源的能量效益较高，平均空气密度较高，发电效率好；海上风速随高度变化比较小，机组塔架不需要很高，可节约成本。
2）海上风电风机寿命更长寿命长
海上风湍流强度更小，因此风向稳定，风力机组承受的疲劳负荷较低，风机寿命更长。
3）海上风电距离负荷中心较近距离负荷中心距离近
许多沿海地区制造业发达对电量的需求很高，海上风电靠近电力负荷中心，可以帮助满足附近能源电量的需求。
4）海上风电运维难度大运维难度大
海上风电也有安装施工难度较大、面临盐水对设备的腐蚀、遇到极端恶劣海况对风机破坏和维护检修难度大等缺点。
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总体来说，海上风电相对陆上风电还是有发电效率更高，单机装机容量更大，风力更平稳，不占地、不扰民等优势。
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海上风力发电前沿技术
1）漂浮式海上风电技术
“漂浮式风力发电机”可以升到距离地面300米的空中捕捉强风，带动附在水平轴两端的发电机发电（。让风力发电机浮在海上的想法于2009年，由挪威国家石油公司原创，随后挪威首台立柱（Spar 式）漂浮式海上风电机组安装，海上风电迎来了漂浮式时代。目前随着技术发展漂浮式风机有3种类型，分别为立柱式 (Spar）、半潜式(Semi-submersible)以及张力腿式(Tension Leg
Platform)。
我国在浮式海上风电关键技术上也不断有新的突破，2021年7月23日由中国三峡新能源（集团）股份有限公司投资建设的我国首个漂浮式海上风电平台，搭载全球首台抗台风型漂浮式海上风电机组，组成“三峡引领号”，在广东阳江海上风电场顺利安装此台漂浮式海上风电机组及平台位于南海海域，单机容量5.5兆瓦，由国内三峡能源牵头，联合三峡集团上海勘测设计研究院等科研机构以及国内风机厂商自主研发，对促进我国海上风电高端装备制造升级、挖潜深远海风能资源具有积极意义。
2）海上风电制氢技术
海上风电制氢系统主要由海上风电机组、水电解制氢装置、储氢装置和海水淡化装置组成。根据制氢装置所处的位置不同，可分为海上平台制氢技术和海上风电岸上制氢技术。对于海上平台制氢系统，海上风机发出的电力经由较短的输电线至电解槽平台，然后海水淡化装置淡化后的海水在电解槽电解产生氢气，最
后将电解水产生的氢气通过压缩至管道或者经船舶输送到岸上运氢中转站，应用到各行各业。对于海上风电岸上制氢技术，电能通过海底电缆输送上岸，然后在在岸上制氢站进行制氢。此系统灵活性较强，当发生限电或者电网电价偏低时，可以将电能用于制氢，当电网电价高时，则可直接售出所有电能。
我国也正积极布局海上风电制氢，首个国家级深远海融合示范风电场项目，青岛深远海200万千瓦海上风电融合示范风场，一期工程计划于2022年实现达产。该项目拟分两期开发，一期开发海上风电场规模约100万千瓦，重点对余电制氢和海水淡化等进行试验示范。二期开将发约100万千瓦，全面开展海上风电+海水淡化、海上风电+制氢储氢等多样化融合试验与示范应用。
目前我国不断发展海上风电，参考欧洲的开发模式，机组往大型化发展，开发深海海域风电，通过学习先进的管理模式和开发经验进行自我反思。并且随着我国科学技术不断进步，各种前沿的国产化海上风电机组被正式商业化使用。逐渐同时，国内的部分投资企业积极参与国际市场的开发与建设，不断积累先进的技术和管理经验，促进国内海上风电事业蓬勃发展。
4 海上风力发电前景展望
1）风电成本可望再降
尽管如今海上风电技术日趋成熟，但仍有很大的持续改进空间，成本可以更低。近期，劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）对全球最重要的风力发电进行的一项调查显示，技术和商业进步有望继续降低风能的成本。研究显示，由于功率更大、更高效的风力涡轮机投入使用，更低的资本和运营成本以及其他的进步，预计到2035年，风电成本有望降低17-35%，到2050年将降低37-49%。
2）行业利润
在调整能源结构和应对气候变化的双重约束下，在国家相关部门重视和多重的支持下，随着海上风电技术的发展与成本的降低，行业利润将进一步提高，
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其性价比对于其他传统能源正在产生较大的竞争优势。未来海上风电行业发展空间广阔，海上风电会受到越来越多的投资者青睐。
3）深远海域海上风电
海上风电建设从近海走向远海，将为解决全球气候问题添砖加瓦，从长远来看，远海具有更广阔的海域资源和更庞大的风能储量，开发潜力巨大。随着远海风电并网技术的不断进步及高效利用风能资源的需求日益增长，远海风电将成为未来海上风电发展的主战场。
5 结语
随着“双碳”目标的提出，海上风力发电作为重要的新型清洁能源之一，必将大有可为。海上风电技术的进步和规模明显扩大，也促使整个行业正在步入成熟、稳定的工业化发展轨道，在这个过程中，海上风电还能与其他形式的海洋能源如海流能、波浪能、盐差能、温差能等结合起来，为人类更好地开发利用清洁能源提供无限可能。
参考文献：
[1] 宋育章. 浅析海上风力发电的现状及展望[J]. 中国设备工程, 2021(21):2.
[2] 林盛, 罗天怡. 海上风力发电及相关技术[J]. 水电与新能源, 2020, 34(1):2.
