阿尔法文图斯风电场—德国海上风电的里程碑给出的启示

2022-12-05

首先还要从德国发展海上风电方面谈起, 德国将在几年内减少在陆地上安装风力发电机组的数量, 如果要想使风力发电保持一个较高水平, 就必须发展海上风电。目前近海风能的发展在德国正处一个欣欣向荣的态势, 目前在企划公司的案头上堆放着许多大型风电场的申请许可资料, 这些风电场主要集中在德国在北海和波罗的海的专属经济区内。首先批准的是小型风场, 这也是建设大型风电场的第一步。即使批准了, 许多问题还有待解决:比如, 风电场离海岸多远对自然保护区是至关重要的, 此外, 还对北海的航运、渔业及海军的活动都是有限制的, 海上风电场的电网连接也是对承包的新的挑战。不仅首先各州与联邦政府对于不同规模的风场和电网建设在审批的法律规定上有区别并且相当复杂, 在批准决策时还要还看它是否在2006年前已经提出计划和是否是已经将5兆瓦风力发电机投入生产的制造商们。在过去的几年中, 最早的离岸风电场的经验主要是从丹麦和瑞典在波罗地海的小型风电场 (不超过20台风机) 总结出来的。这些风机相对距离海岸比较近 (最远距离约为10公里) , 并且安装在滩涂和浅水域 (水下深度不超过10米) 。目前在德国海运及水文局 (简称BSH) 有29个在这个专属经济区计划建设的海上风电项目等待批准 (22个建在北海/7个建在波罗地海) 。在BSH申请上述项目的程序样当严格, 在基于1982年12月10日颁布的联合国海洋公约及联邦德国海事责任法进行专属经济区内的建设项目的审批。首先要审核递交的拟建风电场的材料, 第一, 保证安全及运输效率不会受到影响;第二, 不会威胁海洋环境;第三, 满足区域规划要求 (考虑区域规划目标, 遵守相关规定) , 不能违背公共利益 (不能对资源安全、国防及渔业构成威胁) 。在审批过程中要看该项目是否对被保护的海洋资源及物种 (如鸟类、鱼类、海洋哺乳动物、两栖类动物及土壤和水) 构成威胁。此外, 对于安装超过20台风机的电场根据法律规定进行环境影响评价, 项目申请人要对该项目对该海域及地区产生的影响及作用作出预测与分析;同时, 涉及项目的航运也要经过BSH及水利和航运指挥部门审核批准。颁发的许可证有效期为25年, 通常在风机正常运行寿命结束后再考虑是否重新申请许可证。此外, 在获准后限制在两年半内必须开始安装风机, 否则该地区将不能避免用做它用。

阿尔法文图斯风电场位于北海博尔库姆岛北部约45公里处, 距离陆地海岸约60公里, 风电场的坐标为北纬54度, 东经6度多。科学证明在海上比陆地更能很好地获得稳定的风资源。在位置优越的陆地上, 风机持续满负荷运转为2000至2500小时;而在海上能达到3800小时;并且在海上能够安装大型风机, 与陆地设施相比, 几乎对居民没有影响。站在博尔库姆岛沙滩上, 人们看不见阿尔法文图斯风电场的设施。一般来说:由于地球曲率, 人们看不到45公里以外的风机设备。阿尔法文图斯是希腊第一个字母和拉丁语“风”一词的组合, 这个高贵的名字最终作为德国第一个海上风电场的名字, 随之取代了在项目审批过程中“博尔库姆岛西测试场”的项目名称。

冒险的海上作业的准备工作开始于陆地。该风电场采用两家公司生产的5兆瓦级风力发电机组。第一步的装配工序 (比如风机的三角支架或叫做“夹克外套”的基础结构) 分别在挪威和苏格兰完成。为什么采用5兆瓦级, 在陆地基础结构相对简单, 而海上基础建设的投资要大得多, 风机的功率越高, 专项投资就越低。在安装如此巨型部件之前, 专业人员用一个月来完成准备工作, 如将单个轧钢板焊接起来, 并轮班用超声波探伤装置检查每个焊缝, 最终再进行彻底检测。在运输前再逐层喷涂防锈材料, 最后这些基座运到阿尔法文图斯的组装现场, 在2009年春季至秋季完成安装。严格按照进度计划, 风机机组是在不同的国家和地区组装完成的, 在基座旁是塔筒、机舱和转子。海上风电场的准备不仅在时间安排的严谨性上给人留下了深刻的印象, 物流方面的认真规划也是具有挑战性的。在安装现场30米的水下伫立着建筑部件。风机安装后的三角支架有数百吨重, 很难运输, 这需要巨型特种船只把基座和其它部件运到现场, 然后用升降平台和浮式起重机进行安装。

海上风机的基础结构至关重要, 运行使用寿命至少为20年, 常年海水的侵蚀, 强大的风浪冲击, 要求深扎于水下20至50米的基础桩子从建筑材料和结构上都能抗击很大负荷。目前有七种结构被广泛应用:一、“单桩结构”, 该结构由一个空心圆柱体组成, 在欧洲近海的风电场被普遍采用, 水下部分不超过20米, 如果要求水下部分为15米, 则经济性较强;不适用于深水基础及海床为岩石构造的区域;安装便捷, 但在安装时必须采用重型打桩设备, 该结构具有良好的冲击保护。二、“夹克外套结构”, 此为桁架钢结构, 类似传统的电力设施采用的钢结构, 以四个圆柱扎入海底, 普遍应用于深海石油工业;与“单桩结构”相比, 它能节约40%至50%的钢材, 在更深的水域采用, 造价会降低;由于单个部件体积小, 几乎能完全采用自动化生产, 而且便于运输和安装。缺点是该结果冲击防护能力相对低些。三、“三脚架结构”, 由钢管组成的三脚结构, 在水下对主桩起到支撑作用, 通过小柱体锚定在海床中, 提高了海流冲击沙质海床时基础的安全性;也不适用于石质的海床。四、“三柱结构”, 该基础有三根立柱组成, 由于结构紧凑, 相对便宜, 可用于20至50米的水下。五、“重力基础”, 由一大块混凝土构成, 主要用于建造桥梁和10米水下基础的风电场;并且造价不会受钢材价格的影响。六、“桶形结构”, 如同翻过去的水桶, 形成负压并在沙质的海底将自己吸附住, 无需打桩过程, 比较环保。七、“游离式基础”, 通过一根绳索将漂浮的风机与海底的基础结构连接起来, 这种结构还处于研究和实验阶段, 探索目标是为了使大型风机在50米海水深度区域采用这种结构。阿尔法文图斯风电场所采用的是第二、三种基础。

变电站是风电场的核心, 位于电场的东南角, 12台风机通过电缆连接起来, 每台风机的间距为761至852米, 电压从30kV升压并接入110kV三相线路, 通过16厘米粗的电缆, 由诺德奈岛并入陆地总电网, 电缆总长度约为60公里, 电缆是由10厘米的铜制导线和缠绕其外部的光缆 (玻璃纤维材料) 组成, 这样同时也可以传输数据。这个海上平台变电站也被称作船体码头系统, 不仅可以供停靠船只、直升机的起降用, 同时也是装配车间和后勤保障中心。

通过相关数据可以获悉:阿尔法文图斯海上风电场总装机容量为60MW, 每年的发电量可满足5万个住户需求。在德国共计21万4千人从事新能源行业的工作;其中风力发电领域有7万人;通过在北海和波罗地海建设海上风电场, 预计可以新增1至2万个就业机会。该风电场建设总投资为2.5亿欧元。根据德国2009年实施的《可再生能源法修正案》中规定:2009年至2015年底年建成的海上风电场的税收补贴为15欧分/千瓦时;在此后新投入运行的税收补贴降至13欧分/千瓦时, 随后以每年百分之五递减。目前德国法律给海上风电市场亮起了绿灯, 扩大项目的建设及技术领先地位。德国环境部早在2002年在北海和波罗地海相继建起了科学也就平台, 其中菲诺1号平台紧邻阿尔法文图斯海上风电场, 科学家们可以通过仪器设备对风机对海洋哺乳动物、海鸟及其迁徙、海底动物及鱼类的影响进行观测并记录, 并在环境部举行的海上风电建设科学论坛上予以公布。

我国的海上风电事业虽然起步较欧美等国家晚些, 但值得兴奋的是海上特许权项目招标在今年的第二季度启动。根据我国风电发展中长期规划:2015年风电规模将达到1500万千瓦, 2020年达到3000万千瓦的发展目标;同时要想实现我国在减排方面作出的承诺, 也应尝试发展海上风电, 同时海上风电具有年利用小时数长、风速高、单机能量产出较大的特点。据统计, 我国近海可安装风电2亿千瓦。目前, 我国仅有上海东海大桥近海风电场和江苏如东潮间带风电场并网发电。在发展我国的海上风电事业的同时, 也应密切关注西方国家在该领域的发展动态, 加强相互间的交流与合作, 有些好的经验可以借鉴, 当然也能避免在发展道路上走弯路。国家能源局、海洋局联合下发了《海上风电开发建设管理暂行办法》, 规范海上风电建设, 引导其健康、持续发展。按照“先试点, 后扩大”的原则进行建设, 有利于稳步地进行该项事业。

摘要：阿尔法文图斯是德国首座真正意义上的海上风电场。这个示范项目的设计、建造、运行和并网对未来海上风电场的商业化运营具有重大意义。伴随着这个2009年底投入运行的风电场, 一些能源公司宣布进入了一个新纪元。

关键词：阿尔法文图斯风电场