從陸地躍入海洋,全球最強海上風電機組就在這裡!

從陸地躍入海洋,全球最強海上風電機組就在這裡!

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導語:不久前,我國自主研製的16兆瓦海上風電機組在福建下線。這是目前全球範圍內單機容量最大、葉輪直徑最大、單位兆瓦重量最輕、總體技術水準最高的風電機組,標誌着我國在海上風電系統總成和大容量機組的製造能力上實現了重要突破,達到國際領先水平。

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一、爲何要發展海上風電

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我國已經向世界莊嚴宣佈了實現“碳達峰”與“碳中和”目標的時間表,其核心在於減少化石能源的消耗。現代化的步伐不能因化石能源消耗的減少而停滯不前,國家的全面發展必然會消耗越來越多的能源。

在此前提下,如何尋找足量的清潔能源,爲我國未來的發展提供新的動力,成爲一個迫在眉睫的現實問題。

我國對清潔能源的開發做了大量的工作和多樣化的嘗試,其中的一個方案就是對海上風電進行開發。相比陸上風電,海上風電有着以下若干明顯的優勢。

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1.海面高度均勻

海上沒有山丘和建築物等的阻擋,風力會明顯大於陸地,單位時間的風能輸出比陸地大約50%,是巨大的能量增幅。此外,與陸地上變幻莫測的氣候不同,海上幾乎沒有靜風期,這意味着海上風力的發電時間更長且發電功率輸出更穩定,對電網的調節比較有利。

2.海上風能資源豐富

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我國擁有大約1.8萬公里的海岸線,這給了海上風電的發展極大的空間。通常來講,沿海海域一百米高度以上風速在每秒7.5-9米之間,僅在離岸二百公里的範圍內,我國的風能資源開發潛力就有約22.5億千瓦。作爲對比,據世界銀行的統計,全球海上風能的可開發潛力高達710億千瓦,海上風能資源是目前全球電力需求的十倍以上。值得注意的是,這一數據會隨着人類開發能力的提升而繼續增加。

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3.完全的清潔能源

風力發電過程不會產生污染,節能減排效果顯著:每安裝1GW(1000兆瓦,相當於六十多臺上述機組)的海上風電,相當於每年減排350萬噸二氧化碳。

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4.成本低且麻煩少

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相比於陸地風電,海上風電避免了徵用土地資源的成本和麻煩,減小了項目的總投入。

5.機動性強

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海上風電機組分爲漂浮式和固定式,其中漂浮式具備一定的機動性,但由於重量和體積受限制的原因功率有限。

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海上風電在理論上具備很大的優勢,但仍然需要先進的技術對其進行開發。在這個背景下,16兆瓦海上風電機組總成的下線可謂是正逢其時。

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二、高科技超長葉片創世界紀錄

對風電行業來說,“造得多不如造得大”,風電機組的發電功率基本上與掃風面積成正比,大功率、大尺寸風機是風電降本增效的主要手段。這一邏輯的基礎是葉片尺寸的不斷增加,如何在尺寸不斷增加,且保持結構牢固的前提下,儘可能地減少葉片的自重(葉片自重越大,能量損耗越大),是風電行業永恆的努力方向。

以此次創下多個世界紀錄的海上風電機組爲例,其輪轂中心高度爲146米,大約相當於五十層樓高;葉輪直徑252米,這已經超越了六架國產C919大型客機首尾相接的總長度,其對應的掃風面積約五萬平方米,這足足有七個標準足球場那麼大;葉片本身長123米,大約相當於三百名成年人並肩站立。

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創紀錄長度的葉片自然也需要創紀錄的強度和輕量化,這需要葉片材料配方上的創新。如果沒有合適的材料,葉片的自重就容易讓它本身產生形變。

而碳纖維的加入是解決問題的關鍵,碳纖維是一種碳-碳主鏈結構的高性能纖維材料。相比金屬材料和玻璃纖維,它具備質量輕、高強度、耐腐蝕、抗疲勞等優異性能,可以說完美契合了風電葉片的需求。碳纖維更大比例的應用是解決風電葉片材料問題的鑰匙,在利用樹脂等材料固形後,碳纖維的強度能夠充分發揮,並有效減輕葉片質量,尤其在海上高鹽高溼的環境下,葉片中的碳纖維材料也能夠提升耐腐蝕性能,更加適用於惡劣的氣候條件。

碳纖維材料的更廣泛應用,除了提升了風機的綜合技術水準,也標誌着我國在風機葉片材料上從過去的受制於人到現在的完全自主可控。

三、世界領先的輸出電機技術

創紀錄的尺寸帶來的是高功率的輸出,這颱風電機組刷新了單機容量記錄:在正常氣象條件下,風機由風帶動轉動一週,能發電34.2千瓦時的電力,相當於三口之家一週的用電量;單颱風電機組在額定工作狀態下,可滿足一個十萬人的城鎮的用電需求。

更直觀地看,單颱風機年均可輸送6600萬千瓦時的電能,相當於直接節約了2.2萬噸標準煤的消耗,避免了5.4萬噸二氧化碳的排放,節能減排效果顯著。

對於整個風機總成而言,輸出的核心莫過於16兆瓦風機。風電機組的技術並不難:利用風力帶動葉片旋轉,再透過增速機提升旋轉速度,促使發電機發電。但系統總成對於發電機的可靠要求極高,其單次維修需要將整個發電機取下替換,在遠海操作一次的費用甚至會超過電機本身的成本。大功率風機在過去長期被國外企業所把控,而這一次也實現了完全的國產化,預計能夠可靠運行10-15年。

作爲目前世界上單機容量最大的機組,它的意義不僅體現在單機發電功率的提升。它的國產化標誌着國內相關產業鏈的進一步完善,相比於之前的進口,發電機組從產量和交付週期上更有利於大型海上風電場的集中建設,這能夠有效促進海上風電施工效率提升與用電成本降低。同時,風電機組的使用、改進和盈利構成了正向循環,將對相關技術產業的升級進步產生極大推動作用,全方位提升海上風電的經濟性。

海上風電機組作爲大型海上風電場的基礎單位,它的技術進步能夠爲我國能源綠色轉型發展提供重要戰略支撐。目前,全球的海上風能開發有很大的潛力,大國可以藉此使能源多樣化,小國亦可以實現能源獨立。

結語:

未來,中國的海上風電方案將具備更爲廣闊的出口空間,同時也將爲應對全球氣候危機提供非常可觀的中國貢獻。

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