全球向可再生能源的过渡正在加速,近海风力在电网脱碳方面发挥着关键作用。 虽然传统的固定底部涡轮机在浅水中证明是有效的,但广阔的深海区域 — — 世界上80%以上的近海风力资源都位于这些区域 — — 仍未开发。 浮动风力涡轮机提供了一个变革性解决方案,使得60米以下水域能够捕捉更强、更恒定的风力。 这一技术正在从实验原型迅速发展到商业规模的项目,成为未来能源组合的基石。

什么是浮风涡轮?

与固定的下沉对流体不同的是,浮动风力涡轮机通过停泊线安装在锚泊在海底的浮标平台上,这些平台的设计是为了保持稳定性,同时使涡轮机能够在水深60米以外的深水中有效运行,涡轮机本身坐落在一个塔台上,它与浮标结构相连,可宽数百米,平台是岸上制造的,拖到安装地点,然后与预先安装的停泊系统和出口电缆连接。

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斯帕-布依平台

斯帕尔平台使用一个长而重的、装满压载物的垂直气瓶来降低重心并提供稳定性。 它们对于深水来说简单、成本低廉,但需要深层泊位才能组装,而且有一大堆的草料。 世界上第一个浮动风力场苏格兰Hywind项目采用了Equinor开发的spar-buoy技术。

半可俯冲平台

半潜水器由浮舟连接的多个柱体组成,它们使用分布式浮力和水压来达到稳定性,这些平台有一个浅层的图纸,允许在港口装配,在中等深度安装。风帆大西洋项目利用了这一设计,许多开发者都倾向于采用多面性和降低安装成本。

紧张腿平台(TLP)

液压管采用张力拉伸的电线将垂直于海底。 它能提供高度稳定性,能最小运动,适合大型涡轮机。 设计是轻量级的,但需要复杂的安装和锚定。 一些液压管概念,如GICON的液压管正在测试中。

条形平台

巴格人是一种简单的长方形或浮舟形船体,依靠大型水上飞机区进行稳定,有浅水的排水,更容易编织,但能经历更多的波浪引起的运动. 福岛浮力近海风力农场示范工程使用驳船型平台.

飘扬风涡的优点

进入更强、更一致的风

风速一般较高,近海波动较小。 浮力涡轮可以位于风力更一致的深水中,提高能力因素。 研究表明,浮力风场的容量系数可能超过50%,而许多固定的下层场地的容量系数约为35-45%。 这直接转化为每台涡轮机的能源产量更高。

扩大部署选项

固定底部涡轮机仅限于30-60米的水深,不包括广阔的大陆架和深海水域。 浮力涡轮机解锁了美国西海岸、日本、葡萄牙和地中海等水深陡降于岸边的地区。 根据国际能源机构[,浮风可以在全球范围打开1.1万千兆瓦以上的技术潜力。

视觉和环境干扰减少

漂浮风力涡轮机由于可以放置在离岸数公里的地方,往往无法从海岸中看到,从而减少了可以拖住岸上和岸上项目的美学反对意见。 此外,地基不需要堆积式驾驶或海底准备,安装时噪音和生境破坏也明显降低。

可扩展性和高效安装

平台可以在港口完全装配和委托使用,然后拖到现场——消除了昂贵的重型船舶和海上建造的需要,这种模块化方法加快了标准化部件的安装,并使得能够连续生产,为通过规模经济降低成本铺平了道路。

技术和经济挑战

高资本成本

目前,浮动风力涡轮机每兆瓦比固定底部涡轮机昂贵2-3倍。 成本是由专用钢平台、复杂的锚定系统和动态出口电缆驱动的,这些电缆必须随波动而灵活。 浮风的平面化能源成本估计为每兆瓦150美元-200美元,而固定岸外风的平面能源成本为60美元-90美元。 然而,工业路线图计划LCOE通过设计优化、工业规模化和供应链成熟,到2030年时将低于每兆瓦100美元。

技术复杂性和可靠性

设计能承受25年以上极端波浪、电流和风力加载的浮力结构需要先进的工程。 平台运动可以给涡轮机组件增加负荷,降低可靠性。 动态电缆 — — 它必须承受循环弯曲和张力 — — 是一个关键的故障点。 持续的研发侧重于主动压载系统、轻量级材料和强力连接设计。

安装和维修

港口装配简化了初始安装,但深水持续维护却具有挑战性。 进入涡轮机需要专门的船舶,并且可能受天气窗口的限制。 开发者正在探索自主检查无人机、远程状况监测和快速变化组件设计以减少故障时间和运行成本。 国家可再生能源实验室[估计O&M成本可能占早期项目总寿命周期成本的25-30%。

网格连接

远方浮动涡轮机的输电需要能够处理深度和波浪移动的动态电缆,这些电缆比静态电缆更昂贵,效率更低,长途可能需要高压直流(HVDC)系统,这增加了基础设施成本,合作举措正在开发标准化的动态电缆设计和浮动子站,以应对这些挑战.

环境和海洋影响

浮风涡轮由于海底干扰程度最低,其环境足迹比固定底部要轻。 锚固系统和锚固线可造成人为礁石效应,对当地海洋生物有潜在好处。 然而,仔细坐落对避免敏感的生境、迁徙路线和渔场至关重要。 建筑噪音主要局限于港口装配和电缆铺设。 业务影响包括电缆产生的电磁场(可能影响Elasmobrachs)和海鸟和蝙蝠的碰撞风险。 环境监测已纳入所有主要项目,海洋能源当局正在制定最佳做法准则。

主要项目和工业里程碑

苏格兰之风

2017年以来,Equinor的30兆瓦的苏格兰海风仍然是运行时间最长的商业浮动风力场。 安装在斯帕浮标上的5台6兆瓦的西门子游戏涡轮机平均容量系数超过50 % , 证明了该技术在恶劣的北海条件下的可行性。 从海风获得的经验教训为大型项目提供了信息,包括Hywind Tampen(挪威88兆瓦)和韩国200兆瓦+农场。

大西洋风云

葡萄牙近海25兆瓦风力浮力大西洋项目使用三个半潜水平台,配备MHI Vestas 8.4兆瓦涡轮机。 2020年投入使用,它表现出了高性能和复原力,在风暴期间有20米的波浪。 该项目的成功推动了苏格兰30兆瓦金卡丁近海风力场的发展,同时还采用了风力浮力技术,来自原则动力。

其他关键举措

法国正在推进多个试点项目,如普罗旺斯大河(3个涡轮机,25兆瓦)和EolMed(3个涡轮机,30兆瓦 ) 。 在日本,福岛前进项目测试了7兆瓦半潜水器。 美国海洋能源管理局已经确定了加利福尼亚州外的潜在租赁区,由于深水,漂浮风是唯一可行的选择。 这些项目共同降低成本,验证各种平台设计。

未来前景和扩展

根据工业预测,浮动风市预计将从今天的不到200兆瓦增长到2035年的20兆瓦以上。 欧洲、亚太和美国西海岸是最大的直接市场。 政策支持 — — 如创新融资、有特定浮动选择的可再生能源拍卖以及简化许可 — — 对消除早期投资风险至关重要。 制造商正在开发专门用于浮动平台的涡轮机,其容量达到15兆瓦及以上。

成本降低途径包括船体制造工业化、使用更轻的材料(水泥而不是钢材压载物 ) 、 先进的锚定技术以及标准化的动态电缆。 共享电网基础设施和浮动分站可以降低传输费用。 如果这些趋势得以实现,浮动风可以在十年内实现与其他可再生能源的电网均等,释放出对达到净零目标至关重要的大规模清洁能源资源。

结论

浮风涡轮机不仅仅是固定底部设计的渐进改进;它代表了近海风力部署的范式转变。 通过消除深度限制,它们将最深最风的海洋区域向大规模可再生发电开放。 尽管目前成本和技术障碍仍然很大,但快速的技术进步、投资者信心的增强以及强有力的政策支持正在推动工业前进。 浮风的成功发展对于旨在将全球电力供应去碳化同时又尽量减少土地使用冲突的全面、可持续的能源战略来说至关重要。 涡轮机已经浮动 — — 并且变化的浪潮正在上升。