海上漂浮风能

2019年11月18日出版

对环境友好型资源和技术的需求正在增加。可再生能源越来越受欢迎,风能是第二大能源。虽然海上风电是增长最快的能源,但浮动海上风电也正在成为一种强大的能源。正在开发平台和涡轮机来收集这种能量。尽管该资源在实施过程中面临挑战,但它是一个可行且经济的选择,如果采取一些措施,它很容易成为可再生能源的主要贡献者。

对可再生能源的需求
可再生能源已成为全球发电组合的主流贡献者,并被视为解决气温上升、气候变化和环境问题的可持续机制。

在全球范围内,可再生能源被用于各种应用,传统上严重依赖化石燃料。可再生能源最近占全球发电投资的三分之二。水力、太阳能、光伏和风能在全球可再生能源发电能力中占据主导地位。风能和太阳能的经济性及其经济高效的存储为未来的可持续能源系统铺平了道路。

风能是仅次于水电的第二大可再生能源,占全球可再生能源总容量的25%左右。陆上风力涡轮机在全球风能装机容量中占据主导地位,占总装机容量的96%以上。然而,在过去几年中,由于安装成本的降低和技术的改进,海上风电容量出现了显著增长。

海上风能:固定底部与浮动海上风力涡轮机
海上风电是增长最快的可再生能源之一,占2018年全球累计风电装机容量的4%左右。欧洲是海上风电装机容量的领导者,英国占全球海上装机容量的35%以上,其次是德国,约占27%。海上风力涡轮机有两种类型:固定式底部和浮动式。

固定底部海上风电机组技术比浮动式海上风电机组(FOW)技术更为成熟,目前主导着海上风能装置。前者比FOW涡轮机更易于安装。此外,固定底部海上风力涡轮机可以安装在近岸和近岸,而近岸和近岸的风力涡轮机技术更复杂,安装在深海。

FOW农场通常安装在水深超过40 m的复杂海床条件下。在深海安装风力涡轮机带来了许多挑战,其中一个主要挑战是开发一种能够承受深海湍流的平台。其他困难包括高压输电线路的铺设以及深海风力涡轮机的安装、操作和维护。

海上漂浮风的演变
与近岸或陆上相比,深海风速更高;因此,FOW风轮机比固定底部风轮机多获取80%的风。与固定底部海上和陆上风力涡轮机相比,这使得风力涡轮机的容量利用率更高。

为了利用深海中较高的风速,2009年至2016年间,在日本、西班牙、挪威和瑞典对FOW涡轮机进行了概念化设计,总共演示了六个全尺寸原型。到2016年,这些原型的成功演示占装机容量的20 MW以上。由于原型提供了一个完整的系统模拟器或所需系统的相关部分,FOW涡轮机的预商业化阶段于2017年开始,部署了苏格兰Hywind,这是第一个容量为6 MW的完全运行的FOW电厂。

FOW风机的安装和维护成本明显高于固定底海上风机。因此,由于安装成本较高,大多数FOW涡轮机需要大量政府支持,以达到商业就绪状态,并在近期实现成本降低潜力,包括研发活动。

技术进步
FOW的两个关键部件是平台和涡轮机。多年来,全球许多公司都为FOW开发了不同类型的平台。一些最流行的平台类型包括驳船、spar浮标、半潜式平台、张力腿平台、多涡轮机/混合波和半spar平台。这些技术大多是基于石油和天然气公司用于深海油井钻探的平台开发的。

由于风速高,容量大于6 MW的大型风力涡轮机非常适合FOW。随着风力涡轮机技术的进步,大容量涡轮机的开发可以进一步降低FOW涡轮机的运行成本。涡轮机制造商最近将其风力涡轮机组合从额定功率为6 MW的风力涡轮机扩展到12 MW的风力涡轮机,其具有220米的转子和107米的叶片,总容量因数超过60%。

海上浮式风力发电面临的挑战
尽管浮式风电场优于固定底海上风电场,但它们仍面临当地居民的反对。该能源对海洋生态系统构成威胁,并可能由于高压电线产生的电磁场而导致捕鱼区减少。项目开发商面临的其他主要挑战是缺乏具有专业知识的专用船舶以及环境影响评估报告的延迟。

未来路线图
全球风能理事会(GWEC)估计,到2030年,全球FOW容量约为6 GW。美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)预计,到2023年,美国、中国和欧洲12–50 MW项目的多涡轮阵列将实现商业化。此外,根据NREL,预计到2024年,超过400 MW的浮动阵列将在美国完全商业化。

FOW在扩展海上风能领域具有可行性和经济吸引力,前提是降低成本的速度比目前预期的要快。