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    永不停息的风

    2019-05-16 15:28:49

    永不停息的风

     

    有朝一日,浮式风电场将能在不适于建造固定桩基海上风电场的深海海域一展身手。通过与挪威国家石油公司合作,西门子正在攻克打造这种浮式系统所涉及的技术难题。目前,两家公司正携手在苏格兰沿海建造全球*座浮式风电场。从2017年底开始,5台6兆瓦风机将为约2万户家庭提供电能。

    25年前,全球首座大型海上风电场在丹麦洛兰岛沿海建成,这在当时曾造成轰动。11台风机相邻排列,扎根在水下数米深。在此之前,同类海上风电设施从未达到如此大的规模。从那时起,海上风力发电领域在全球范围内稳步兴起。据欧洲风能协会发布的数据,2014年,共有数千台海上风机被安装在世界各地,尤其是在英国沿海,其总额定装机容量达到8795兆瓦。虽然与陆上风电场的装机容量相比,这个数字还相当小——单德国下萨克森州目前的装机容量就能达到约8500兆瓦——但如果考虑到海上风电近年来的迅猛发展势头,显然,海上风电正日益发展成为风电资源中的主导。2011年,全球海上风电装机容量仅为4117兆瓦,但从2011年到2014年,装机容量已增加了一倍多。这是因为海上风力通常比陆地上的更强劲,也更稳定。

    西门子与挪威国家石油公司合作建成全球首个浮式海上风机。这台风机已通过海底电缆向挪威电网输送电能。挪威国家石油公司为风机提供了锚泊系统,而西门子则提供了塔架与风机本身。

    然而,海上风电场的成本会随其基础锚固深度的加深而增加,在深度超过50米后更是如此。因此,为了有效利用深海海域的风力资源,相关人员计划利用由钢索、链条和锚进行固定的浮式风机。

    可拖动的海上风机
    总的来讲,浮式海上风机有许多可取之处。德国Fraunhofer风能及能源系统技术研究院(IWES)的风电专家Jochen Bard预计,如果能够恰好在100米深的水下搭建浮式风机的话,浮式平台可使欧洲的海上风力发电量增加2到2.5倍。如果能在更大海域范围内建造浮式海上风机,则可以通过大规模建造这种系统来降低成本。浮式风机的主要优点之一是它可以预先在码头区完成全部装配,然后拖运至海上运行场所,从而节约时间和费用。相对的,在深度超过50至60米的海域,固定式海上风电场的基础锚固成本则相对高昂。浮式风电场的另一个优点是,在许多情况下,相比于常规海上风电场,它们可以被安装在风况更好的位置。

    为了测试这项技术,2009年,西门子与挪威国家石油公司的子公司Statoil Wind Limited(SWL)合作,在挪威沿海建立了全球首台浮式风机。此后,这台风机就持续通过海底电缆向挪威电网输送电能。挪威国家石油公司提供了风机的锚泊系统,而塔架和风机本身则来自于西门子。这个项目名为“Hywind Demo”,*初预设的寿命仅为5年。但是,尽管挪威海域风高浪急,风机始终持续可靠工作,所以它目前仍在运行。

    *大限度地减少运动
    受此次成功启发,今年,西门子和SWL将开始建造全球首座浮式风电场。到2017年底,5台浮式风机将被安装在距离苏格兰东北角城市Petershead的海岸约25公里处,年发电量预计将达到135兆度,足以满足2万户家庭的用电需求。通过“Hywind Scotland”项目,SWL希望了解,通过制造大量设备、连续生产和锚泊设备,以及实现相关运输和供应船只的高利用率,可以在多大程度上降低浮式风电场的成本。此外,这个项目也可以用于研究一些技术问题,如邻近风机产生的尾流会在浮式风电塔架间产生多大程度的影响或干扰。

    还有一件事至关重要:就算受到波浪、风和水流的影响,风机也需要保证尽可能少地移动。其原因是,任何倾斜或摇摆都会对机舱、转子和发电机造成巨大压力。同Hywind原型机一样,SWL在苏格兰采用了“柱形浮标”的设计:每个浮式风机都配有一套悬浮在水下的带压载舱的钢筋混凝土制物,它们被钢索系到位于海底的重型锚上。

    *早在挪威沿海建造的系统配备的是2.3兆瓦的发电机,而现在西门子为苏格兰项目提供的是功率更大的6兆瓦风机。西门子风力发电业务海上概念与解决方案部负责人Jesper Møller表示:“6兆瓦系统不只是小型风机的扩容版。我们优化了风机和塔架的设计与材料,所以,这个大型系统不会太重,也不会对结构产生太大压力。”工程师还为风机配备了许多可在运行过程中自动减轻负荷的复杂系统。这些都将对新风电场各组件的使用寿命产生积极影响。

    SWL专家预计,相比于桩基固定的海上风机,浮式风电场有可能降低建造成本,在数百米水深的海域更是如此。Møller认为,在几乎没有浅海区的美国太平洋沿岸和日本近海有非常适合建造浮式平台的区域。另外,在西班牙、葡萄牙和法国的近海也可能有适于建造浮式海上风机的深海区。目前,除日本的两个试点海上风电设施之外,尚无其它项目可与苏格兰Hywind项目相提并论。Møller指出:“我们的技术已经可以被视为进入预商业化阶段。目前,还没有任何其他公司在这方面比我们走得更远。”

    Tim SchrÖder
    照片提供:所有图片:挪威国家石油公司;图表:西门子股份公司


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