風能是最成熟、最具市場競爭力的可再生能源之一，大力開發(fā)風能資源是建設零碳世界、實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展的可靠路徑之一。

在陸上風能開發(fā)日益受限的背景下，海上風能的潛力正受到重視。

目前在全世界范圍內普及的是固定在海底的著床式風電機組，其適合淺水海灘，很難應用于水深超過50米的海域。但研究顯示，全球大部分風能資源位于水深超過60米的海域。深遠海區(qū)域面積大、風力好，水深50米以上的風能密度約為近海區(qū)域的2-4倍。

隨著近海風能資源開發(fā)將趨于飽和，海上風電走向深遠海已是大勢所趨，而水深超過60米的海域適合采用漂浮式海上風電開發(fā)模式。

與此同時，漂浮式海上風電場具有巨大的能源潛力。美國能源部長格蘭霍姆去年就曾表示，漂浮渦輪機未來有望產(chǎn)生高達28億千瓦的清潔能源，是美國目前電力需求的兩倍多。國家發(fā)展改革委能源研究所此前發(fā)布的《中國風電發(fā)展路線圖2050》也指出，我國近海水深5至50米范圍內，風能資源技術開發(fā)量為5億千瓦，而我國深遠海風能可開發(fā)量則是近海的3至4倍以上。

隨著全球漂浮式海上風電市場日益火熱，海上風機的機型樣式也不斷推陳出新。EnerOcean、EnBW、Hexicon 等多個國外開發(fā)商對單基礎平臺搭載多臺風機的路線探索已久，X1 Wind、Eolink、T-Omega Wind 則先后研發(fā)出無塔筒風機。此外，在葉片結構方面，單葉片、雙葉片等非傳統(tǒng)機型正逐步進入模擬測試或樣機建設階段，以期在成本、壽命、可靠性、易制造性、易安裝性和易維護性之間找到最佳平衡點。

圖說：單葉片渦輪機

來源：TouchWind

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漂浮式風電加速發(fā)展

2009年，挪威國家石油（Statoil公司，2018年更名為Equinor）開發(fā)了世界上第一個全尺寸漂浮式機組的樣機項目——Hywind Demo。項目采用立柱式基礎，離岸距離10km，機位和作業(yè)水深達200m，基礎重量約3200 噸，單機功率2.3MW，成為了漂浮式海上風電行業(yè)的重要里程碑。

圖說：全球漂浮式海風項目整理（已投運項目）

來源：CWEA，Carbon Trust，華創(chuàng)證券

此后，葡萄牙、日本、英國、法國、西班牙等國家也紛紛推出漂浮式樣機。近期漂浮式樣機的推出速度明顯加快，漂浮式海風已經(jīng)歷從單臺樣機到小型商業(yè)化示范風電場的過程，商業(yè)化進程顯著加快。根據(jù)GWEC的統(tǒng)計，2022 年全球新增約66MW漂浮式風電項目并網(wǎng)運行，包括挪威60MW項目和中國海裝“扶搖號”6.2MW機型。

圖說：全球漂浮式海風項目整理（在建項目）

來源：CWEA，Carbon Trust，華創(chuàng)證券

截至2022年，漂浮式海風已投運項目20個，規(guī)模為245.4MW，占海風累計裝機量比值僅為0.4%；在建項目12個，規(guī)模為387.4MW。已投運項目中，位于英國、葡萄牙、挪威共 200MW 項目實現(xiàn)了商業(yè)化的突破。在建項目中，法國的 Province Grand Large、Groix&Bella-le 等4個項目、美國的 Aqua Ventus I、日本的 Goto City 及中國的中電建海南萬寧百萬千瓦級漂浮式海上風電項目（一期）為商業(yè)化項目，規(guī)模達355.7MW，且均在 2023-2025年間投產(chǎn)，商業(yè)化進程顯著加快。

目前有許多國家競相研發(fā)和規(guī)劃部署漂浮式海上風電。歐洲在漂浮式海風領域走在前列，蘇格蘭出臺了全球規(guī)模最大的漂浮式風電開發(fā)計劃，準備在約8000平方公里的海域開發(fā)裝機容量達2800萬千瓦的海上風電，其中約六成為漂浮式風電機組。挪威則計劃在2030年前建造更多漂浮式海上風電場。除歐洲外，美國、韓國的漂浮式風電規(guī)劃也較為可觀，韓國計劃2030年前投產(chǎn)6GW漂浮式海上風電，美國則宣布了一項到2035年安裝15GW漂浮式風電的計劃。

我國也在《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》 提出力爭“十四五”期間開工建設我國首個漂浮式商業(yè)化海上風電項目。國家能源局新能源和可再生能源司副司長王大鵬10月16日在2023北京國際風能大會暨展覽會（CWP 2023）上表示，“十四五”是我國海上風電產(chǎn)業(yè)夯實發(fā)展基礎的關鍵時期，下一步國家能源局將結合“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃確定的重點任務，加大政策供給，完善體制機制，盡快出臺深遠海海上風電開發(fā)建設相關政策，積極推動近海海上風電規(guī)模化發(fā)展，組織開展深遠海海上風電示范，通過支持技術和模式創(chuàng)新推動海上風電持續(xù)降本增效，不斷提高經(jīng)濟性。

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成本仍為制約因素

雖然漂浮式風電發(fā)展前景廣闊，但仍面臨著成本挑戰(zhàn)。整體來看，高成本是當前制約漂浮式海上風電大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的主要因素，未來降本情況將是影響行業(yè)發(fā)展的關鍵。DNV的海上風電部門主管Magnus Ebbesen也認為，漂浮式風電的商業(yè)吸引力將取決于成本的降低和各個市場的不同價格。

根據(jù) BNEF研究數(shù)據(jù)，全球漂浮式海風項目成本明顯下降，由 2008 年首個項目建成時接近30萬元/kW 降至2019年40511元/kW 的造價，但目前單位成本較低的WindFloatAtlantic 2、Tetraspar Demonstration仍有 3.5/3.7萬元/kW，約為固定式海風的4倍。中國電建海風公司數(shù)據(jù)則顯示，目前國際漂浮式風電項目建設成本在50元/W左右，中國的樣機項目建設成本在38-40元/W之間。

圖說：全漂浮式海上風電降低 LCOE 的可能途徑

來源：《FLOATING WIND: TURNING AMBITION INTO ACTION》，長城證券產(chǎn)業(yè)金融研究院

Carbon Trust 預測，漂浮式風場降本總空間達52%，其中平臺基礎、風機降本空間最大，分別為16%、12%。Equinor 認為，漂浮式風電場單體規(guī)模的增大是降本的關鍵。與此同時，單機容量提升對于漂浮式項目降本效果明顯，根據(jù)Principle Power 披露數(shù)據(jù)，2011年投運的WindFloat 1樣機的單機容量2MW，2021年投運的Kincardine 項目單機容量9.5MW，雖然后者單機容量是前者的近5倍，但漂浮式基礎的重量不到前者的2倍。

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單葉片風機、雙葉片風機或成漂浮式風電未來趨勢？

價格壓力是技術創(chuàng)新的驅動力，技術進步也成為了推動漂浮式海上風電發(fā)展取得躍升的關鍵因素。因此，技術創(chuàng)新驅動下的風機樣式推陳出獲得了諸多關注。其中，荷蘭風電技術開發(fā)商TouchWind推出的單葉片浮式海上風機可以降低成本和縮短停機時間。Seawind公司則在過去數(shù)年推出了多款雙葉片風機機型，目前已分別在歐洲陸上和海上開啟了現(xiàn)場試驗。

有別于傳統(tǒng)像電風扇的三葉片風機，TouchWind公司研發(fā)的一體式單葉片浮式海上風機只有一片一體式轉子葉片，看起來就像滑翔翼，中央垂掛一個筒狀物，風機底部則是一個巨大的浮標。

圖說：風速增加時單葉片能夠直立起來開始旋轉發(fā)電

來源：TouchWind

按照該風機設計，葉片以輕微向上的角度安裝在風機支架上，在風速較低時，風機會因為垂吊的筒狀物向旁邊傾斜，通過浮標為其保持平衡；隨著風速加大，葉片會快速旋轉，就像直升機的旋翼一樣產(chǎn)生推力將風機拉正，浮標可用作壓艙物確保葉片不被大風吹走。與其他浮動式風機設計一樣，該風機不需要考量風向，被動地漂浮可以讓風機自己找到最佳的風向。

TouchWind公司公布的運行數(shù)據(jù)顯示，目前，市場上主流的風電機組通常有3片葉片，風機零部件組成相對復雜，出現(xiàn)故障的概率相對更高，并且在風速超過25米/秒后就可能停止運行，而這款單葉片風機為一體式設計，安裝簡潔方便，還能自動調整自身位置，可適應的最高風速能夠達到70米/秒以上，尤其適合深海海上風電開發(fā)。同時，更少的停機時間就代表，更長的運作時間、可帶來更多發(fā)電量。

圖說：更簡單的設計可以實現(xiàn)更大的掃風

來源：Touchwind

除了具備潛在的發(fā)電優(yōu)勢，Touchwind公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官萊克斯·科力普還表示，與傳統(tǒng)風機相比，由于葉片以及零部件用量更少，且不需要任何昂貴的主動葉片變槳控制系統(tǒng)，同等條件下單葉片風機成本可降低30%左右。Touchwind同時表示，這項設計可以滿足12 MW 風機所需的200米長葉片，且能在港口制造并直接拖到現(xiàn)場。

自2019年以來，TouchWind 在荷蘭政府和支持公司的資助下一直在進行測試，以展示其風力渦輪機技術的原理。2023年7月，TouchWind獲得了荷蘭企業(yè)局的撥款，用于制造多達10臺轉子直徑為6m（輸出功率12kW）的風力渦輪機。近日，TouchWind公司宣布，獲得日本三井株式會社投資，雙方將進一步加強新型浮式海上風電技術研發(fā)合作，目前已經(jīng)完成了小規(guī)模的陸基和浮動平臺原型，并開始擴大測試。

除了單葉片風機，雙葉片風機也取得了技術突破。歐洲風機研發(fā)企業(yè)Seawind公司便是其中的代表，其在過去數(shù)年推出了多款雙葉片風機機型，目前已分別在歐洲陸上和海上開啟了現(xiàn)場試驗。

圖說：Seawind雙葉片轉子風機

來源：Seawind

Seawind 的設計靈感來自直升機技術，采用獨特的雙葉片轉子，具有搖擺鉸鏈和偏航控制功能。偏航控制可以使風力渦輪機在不需要葉片俯仰的情況下處理風向和風速。這種設計可實現(xiàn)較低的扭矩和較輕的傳動系統(tǒng)，以獲得較高的轉速，從而降低疲勞度，延長使用壽命。該設計施工更簡單，成本更低，同時輸出功率更高，Seawind 宣稱這使其有能力超越所有現(xiàn)有的三葉片風力渦輪機設計。

圖說：Seawind雙葉片轉子風機結構圖

來源：Seawind

Seawind 開發(fā)的雙葉片浮動風力渦輪機，集成了獨特的混凝土浮動結構，適合安裝在所有海洋，包括深海（約200英尺）、超深海（最深近10,000 英尺）以及氣旋區(qū)域。更重要的是，渦輪機的使用壽命長達50 年，而且在這些惡劣條件下幾乎無需維護。渦輪機在港口使用陸基起重機組裝，無需安裝船只。

Seawind 的最新型號雙葉片設備名為6-126 渦輪機，采用了獲得專利的搖擺鉸鏈技術，將軸與轉子分離，保護渦輪機免受潛在有害條件的影響。渦輪機還具有主動偏航控制功能，可實現(xiàn)更高的轉速。Seawind 已開始在意大利港口區(qū)建立新的渦輪機生產(chǎn)和組裝設施的許可步驟，第一個新設計的半潛式浮動平臺最早將于2024年第四季度部署和調試。該公司表示，其較小的6.4兆瓦設計最早將于今年推向市場，12.2兆瓦的設計預計將于 2024年推向市場。

漂浮式海上風電是海風行業(yè)的下一個增長驅動力，但目前面臨著造價成本高、平準化度電成本（LCOE）高等挑戰(zhàn)。技術進步將成為推動漂浮式海上風電降本和發(fā)展的關鍵，TouchWind和Seawind創(chuàng)新的葉片結構有望成為漂浮式海上風電的新思路，助力漂浮式海上風電的騰飛。