我國漂浮式技術(shù)起步較晚，海上風(fēng)電基礎(chǔ)和輸電形式面臨較大挑戰(zhàn)，但這也是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海風(fēng)電規(guī)模化開發(fā)和平價(jià)上網(wǎng)的必經(jīng)之路。GWEC預(yù)計(jì)，到2030年全球漂浮式風(fēng)電市場(chǎng)將達(dá)16.5GW，2030年后漂浮式風(fēng)電發(fā)展速度將加快。

我國多地正在積極布局深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電示范項(xiàng)目，沿海各省出臺(tái)一系列促進(jìn)深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電發(fā)展的政策方案。山東、江蘇和廣東地區(qū)的風(fēng)資源及發(fā)電情況較好，政策扶持下海風(fēng)產(chǎn)業(yè)前景光明，漂浮式風(fēng)電市場(chǎng)有望受益。

沿海各省出臺(tái)有關(guān)發(fā)展深遠(yuǎn)海的政策規(guī)劃

01

漂浮式基礎(chǔ)

海上風(fēng)電由近海向深遠(yuǎn)海挺進(jìn)，海上風(fēng)機(jī)支撐的結(jié)構(gòu)由固定式向漂浮式變化。漂浮式和底部固定的風(fēng)電項(xiàng)目所用風(fēng)機(jī)完全相同，區(qū)別在于風(fēng)電支撐基礎(chǔ)的不同，漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)是機(jī)組賴以維持穩(wěn)定工作的平臺(tái)，主要有以下四種形式：

1）立柱式：平臺(tái)呈現(xiàn)圓柱形，吃水較大，運(yùn)用水深需大于100米。主體結(jié)構(gòu)由浮力和壓載艙、過渡段、系泊系統(tǒng)組成，通過壓載艙促進(jìn)平臺(tái)的浮心高于重心，保持良好的穩(wěn)定性。立柱式基礎(chǔ)安裝和大部件更換相對(duì)困難，對(duì)工作水深有較高要求。

2）半潛式：主體結(jié)構(gòu)多為三、四浮筒結(jié)構(gòu)，通過對(duì)各浮筒壓艙程度調(diào)節(jié)保持平衡。適用水深大于40米，設(shè)計(jì)靈活，運(yùn)輸安裝難度較小，可采用濕拖法運(yùn)輸，技術(shù)較為成熟，我國目前大部分漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)均運(yùn)用半潛式。

3）張力腿式：基礎(chǔ)控制平臺(tái)的浮力大于自重，借助錨固在海底的拉索維持穩(wěn)定，通過向下的系泊張力平衡浮體向上的超額浮力。安裝過程較復(fù)雜，張力腿結(jié)構(gòu)造價(jià)較高，適用水深大于40米。張力腿式平臺(tái)水平方向易受到波浪和水流作用力，形成面內(nèi)橫蕩、首搖、縱蕩運(yùn)動(dòng)。

4）駁船式：呈現(xiàn)四邊形中間鏤空結(jié)構(gòu)，類似于船型，良好的阻尼作用改善整體運(yùn)動(dòng)性能。適用水深大于30米，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，便于批量化組裝，穩(wěn)定性較好，建設(shè)成本較低，可采用濕拖法運(yùn)輸。駁船式平臺(tái)重心較高，對(duì)波頻相應(yīng)較為敏感，需對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)頻率進(jìn)行優(yōu)化。

海上風(fēng)電不同結(jié)構(gòu)類型

四種漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)技術(shù)路線對(duì)比

目前階段，立柱式和半潛式基礎(chǔ)技術(shù)可行度稍好，處于小批量示范風(fēng)場(chǎng)階段，但立柱式整體成本較高，半潛式的商業(yè)化和規(guī)模化應(yīng)用前景最為廣闊。

駁船式基礎(chǔ)處于小容量樣機(jī)試驗(yàn)階段，張力腿式基礎(chǔ)處于單機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)階段，隨著我國不斷加大漂浮式技術(shù)的研究開發(fā)和經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備，以上四種技術(shù)路線預(yù)計(jì)將在2023-2025年技術(shù)成熟度不斷提高。

從水深適應(yīng)性方面來看，半潛式基礎(chǔ)的水深適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以滿足在30米以上水深海域的使用。我國海域大陸架總體較平緩，半潛式基礎(chǔ)在現(xiàn)階段過渡水深范圍（40-60米）的漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目中頗具應(yīng)用潛力。而張力腿和單立柱平臺(tái)適用水深至少在60-80米，我國深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)尚未大范圍達(dá)到此深度，所以應(yīng)用有限。

根據(jù)美國能源部統(tǒng)計(jì)，2021年全球已裝機(jī)或已規(guī)劃漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目中運(yùn)用半潛式基礎(chǔ)的占比達(dá)到近80%，其次為占比10%左右的駁船式和立柱式基礎(chǔ)。

漂浮式基礎(chǔ)技術(shù)成熟度

2021年全球漂浮式基礎(chǔ)形式占比（含規(guī)劃）（%）

02

系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)是將浮體基礎(chǔ)與海底相連的唯一結(jié)構(gòu)，通常包括絞車、導(dǎo)纜設(shè)備、系泊線、錨、重力和浮力套件，其需要通過形變或懸空重量來為漂浮式平臺(tái)承受的風(fēng)、浪、流等外部環(huán)境載荷提供回復(fù)力，保持風(fēng)機(jī)電力穩(wěn)定輸出。系泊形式主要有3種：

1）懸鏈線式系泊：鋼鏈結(jié)構(gòu)，立柱式、半潛式和駁船式基礎(chǔ)采用，是目前最常見的系泊線，所占據(jù)海床空間較大；

2）傘形張緊式系泊：鋼纜或其他復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，占據(jù)海床空間小，成本較高；

3）垂向張力腿系泊：張力腿式基礎(chǔ)采用，使用尼龍等合成材料，耐磨性好，回復(fù)力較大，但容易偏移，需重新調(diào)整。

常見漂浮式風(fēng)電系泊形式

03

錨固裝置

錨固裝置是系泊線與海床之間的機(jī)械接口，主要作用是將動(dòng)態(tài)海纜固定在浮體和海床上，傳遞最大拉伸載荷，主要分為4種形式：

1）抓力錨——應(yīng)用最為廣泛，部分或全部嵌入海底，垂向力承受能力不強(qiáng)，與懸鏈線系泊搭配使用；

2）重力錨——靠與海床表面的摩擦力與壓載重量，使用范圍有限；

3）樁錨——向海床打入樁基，需深水作業(yè)，施工費(fèi)用較高；

4）吸力錨——利用鋼筒內(nèi)外壓力差原理。

常見錨固裝置分類

04

動(dòng)態(tài)海纜

漂浮式風(fēng)機(jī)相比固定底部風(fēng)機(jī)，其平臺(tái)運(yùn)動(dòng)有一定范圍，因此需要采用動(dòng)態(tài)海纜技術(shù)。動(dòng)態(tài)海纜系統(tǒng)分為靜態(tài)海纜端和動(dòng)態(tài)海纜端，靜態(tài)海纜即常規(guī)海底電纜，動(dòng)態(tài)海纜則是跟隨浮體運(yùn)動(dòng)的海纜，過程中會(huì)承受較大的彎矩、剪切和扭矩的綜合作用，需解決大截面、高電壓、負(fù)荷波動(dòng)、絕緣老化和力學(xué)載荷等問題。

中國動(dòng)態(tài)海纜系統(tǒng)工程開發(fā)研究起步較晚，總體發(fā)展水平與日本、歐洲等世界先進(jìn)水平仍存在一定技術(shù)差距。

漂浮式風(fēng)電用動(dòng)態(tài)海纜的開發(fā)目前主要集中于歐洲，代表企業(yè)有Nexans、Prysmian、JDR等，陣列纜電壓等級(jí)也將逐步由35kV向更高壓邁進(jìn)。

我國開發(fā)的動(dòng)態(tài)海纜大多選用“濕式”絕緣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，頭部廠商正積極研發(fā)并應(yīng)用，例如：東方電纜已成功在三峽“引領(lǐng)號(hào)”和“海油觀瀾號(hào)”項(xiàng)目中應(yīng)用35kV動(dòng)態(tài)海纜。未來，企業(yè)應(yīng)在抗水樹絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、海纜及附件制造等技藝方面開展深入研究，為漂浮式風(fēng)電市場(chǎng)全面開啟做好準(zhǔn)備。

漂浮式風(fēng)機(jī)電纜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型濕式結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)海纜截面

漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目中，浮式基礎(chǔ)、系泊系統(tǒng)和拖運(yùn)安裝占比較高，風(fēng)機(jī)占比更低，原因是漂浮式風(fēng)機(jī)一般在港口組裝完畢后拖航至固定位置，省去了海底施工建設(shè)的費(fèi)用。

固定底部風(fēng)電項(xiàng)目中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及安裝、塔筒和海纜占比較高，原因是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)海上組裝成本昂貴，對(duì)安裝船要求較高。

根據(jù)BNEF研究數(shù)據(jù)，全球漂浮式海風(fēng)項(xiàng)目成本明顯下降，由2008年首個(gè)項(xiàng)目建成時(shí)接近30萬元/kW降至2019年40511元/kW的造價(jià)，目前全球漂浮式風(fēng)電造價(jià)在4萬元/kW左右。

DNV認(rèn)為，未來30年間，全球范圍內(nèi)要安裝的浮式海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到300GW左右，占據(jù)所有海風(fēng)裝機(jī)容量的15%，需要約2萬臺(tái)風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)將安裝在重量超過5000噸的浮式機(jī)組，并使用大量系泊纜繩予以固定。同時(shí)，調(diào)查顯示60%擁有風(fēng)電業(yè)務(wù)的企業(yè)，預(yù)計(jì)將在2023年增加對(duì)漂浮式風(fēng)電的投資。因此，漂浮式風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈有望加速步入快速發(fā)展周期。