我國近海風電場單機用海面積界定方法的探討＊

王勇智，孫永根，谷東起，趙新，李海波

（1.國家海洋局第一海洋局研究所 青島 266071； 2.新天綠色能源股份有限公司 石家莊 050051）

1 前言

海上風電屬于新能源項目，可大大節約傳統火力發電的能源消耗，減少溫室氣體排放，并且不占用土地資源，提高我國可再生能源的比例，具有很高的發展前景。

海上風電場發電原理與陸上風電場發電原理類似，均利用風力帶動葉片旋轉，透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。目前，受現有技術條件和自然因素的限制，單個海上風電機組的裝機容量均相對較小。因此，海上風電場若要獲得較大的總裝機容量，就必須盡可能多地增加風電機組的數量。然而，風機葉片的轉動會對下風向區域附近的風速產生一定的擾動，即尾流效應，對下風向臨近風機的葉片轉速、工作壽命和發電量產生不利影響。為保證海上風電場的經濟性，在風機平面布置時，往往盡量擴大風機之間的間距，故海上風電場一般涉海面積較大，海上風電場的外包絡面積往往是幾十平方千米，以現行的相關技術規范來界定海上風機的用海面積，其用海面積卻僅僅是幾平方千米或十幾平方千米（不含海底電纜和海上升壓站用海面積）。而且，我國近岸海域資源開發已近飽和，海上風電場涉海面積大，不利于海洋空間資源的高效利用，也制約了海上風電這一清潔能源項目的發展，因此，海上風電場用海面積的界定還有待進一步優化。

2 近海風電場簡介

近海風電項目是指沿海多年平均大潮高潮線以下海域的風力發電項目，包括在相應開發海域內無居民海島上的風電項目。相對于陸上風電而言，海上風機得益于海面上更強勁、更穩定的風能資源，可以產生更多的電能，風能可利用率可以達到50%或更高［1］。而且，海上風電場不占用陸上土地資源，無污染物產生，選址可靠近經濟發達地區，距離電力負荷中心近，風電并網和消納相對容易。與日益飽和的陸上風電場相比，世界上仍有充足的海洋空間可用來建設海上風電場，因此，海上風電已成為新能源發展的趨勢之一。

3 我國近海風電發展現狀

我國海岸線長約3.2萬km，其中大陸海岸線長約1.8萬km，海島海岸線長約1.4萬km。據推算，我國近海區域、海平面以上50m高度可開發風電總裝機容量約2億kW，約是陸上實際可開發風能資源儲量的3倍，可見海上風能儲量遠高于陸上，海上風電未來發展空間巨大［2］。根據《可再生能源發展“十二五”規劃》，2015年我國海上風電將建成500萬kW，形成海上風電的成套技術并建立完整產業鏈；2015年后，我國海上風電將進入規?；l展階段，達到國際先進技術水平，到2020年建成海上風電3000萬kW，加快海上風電開發，在江蘇、山東、河北、上海、廣東和浙江等沿海省份，建成一批海上風電場示范項目，以示范項目建設帶動海上風電技術進步和裝備配套能力的提升。因此，發展海上風電已成為我國電力發展和清潔能源發展的重要方向。

據統計，截至2011年年底，我國海上風力發電累計裝機容量為26萬kW，繼英國和丹麥之后，位居全球第三［3］。2010年8月31日，我國第一個海上風電項目（潮間帶風電場除外）——上海東海大橋10MW海上風電示范項目風電場全部34臺華銳風電SL3000風電機組，順利完成海上風電場項目240h預驗收考核，拉開了我國海上風電建設的大幕。2010年10月，國家能源局組織了江蘇省鹽城市海域內4個海上風電特許權項目的招標，總裝機容量為1000MW，目前部分項目正著手開工建設或已經開工建設。同時，為更好地在全國范圍內開展海上風電項目的實驗和示范，國家能源局先后批復了河北建投唐山菩提島、樂亭月坨島、江蘇響水、上海東海大橋二期、上海臨港、浙江舟山項目、福建平潭、廣東徐聞等17個海上風電示范項目。其中部分項目已經核準，預計今明兩年將迎來海上風電建設的高潮。

4 當前海上風電單機用海面積界定方法

按照《海上風電開發建設管理暫行辦法》，海上風電項目建設用海按風電設施實際占用海域面積和安全區占用海域面積征用。其中，非封閉管理的海上風電機組用海面積為所有風電機組塔架占用海域面積之和，單個風電機組塔架用海面積按塔架中心點至基礎外緣線點再向外擴50m為半徑的圓形區域計算；海底電纜用海面積按電纜外緣向兩側各外擴10m寬為界計算；其他永久設施用海面積按《海籍調查規范》的規定計算，各宗海面積不重復計算。

眾所周知，海上風機運行時，為了最大限度地獲取風能，風機機頭始終保持面向迎風方向，并會根據風向的變化產生0°～360°的水平旋轉，同時葉片在風應力的作用下做垂直旋轉，葉片掃過的區域在水平方向的垂直投影呈圓形。按照《海上風電開發建設管理暫行辦法》，單個風電機組塔架用海面積按塔架中心點至基礎外緣線點再向外擴50m為半徑的圓形界定，主要為了覆蓋葉片在自身垂直旋轉的同時隨機頭水平旋轉的垂直投影形成的圓形區域，從而起到保護風機和葉片的作用。由此不難看出，現行的單個風電機組用海面積的界定是根據風機塔架中心而確定，與風機的基礎結構有關，而與風機的葉片長度無關。就現有技術條件而言，適用于近海風機的基礎結構主要有以下3種，分別是單樁、多樁（以三樁導管架方式最為常見）和高樁承臺基礎結構。按照《海上風電開發建設管理暫行辦法》，3種基礎結構的風機用海面積界定方法如圖1所示。單樁基礎的風機，風機用海面積的界定方法為自樁基中心點至樁基外壁再向外擴50m為半徑的圓形區域；三樁導管架基礎的風機，用海面積的界定方法為以風機塔架中心點為圓心，中心點至3個樁外緣外擴50m為半徑的圓形區域；高樁承臺基礎的風機，用海面積的界定方法為以風機塔架中心點為圓心，中心點至樁基外緣外擴50m為半徑的圓形區域。由此可見，近海風電場單機用海面積的界定是參照《海籍調查規范》中“水下發電設施用海，以發電設施外緣線外擴50 m距離為界”的規定，從風機基礎的外緣線開始界定，而海上風機工作的驅動力來源于風機葉片，葉片轉動的動能來源于海表面風，應同屬海表面以上的發電設施，因此，現有的風機單機用海面積界定方法的出發點存在一定缺陷，而且把風機基礎和風機葉片的用海相剝離，沒有把風機和葉片視為一個整體的透水構筑物來對待。

5 風機單機用海界定存在的問題

風機單機用海界定存在的問題主要是單個風機保護范圍與風機葉片直徑長度的矛盾。

圖1 常見的3種不同風機用海面積界定的辦法

海上風電場機型的選擇充分考慮了風能資源、技術先進、運行可靠和環境適應等條件，以有利于提高風電場的發電效益。國外從20世紀90年代開始建設海上風電場，海上的風力發電設備制造技術已日趨成熟。經過多年的摸索和實踐，逐漸發現大容量的單機風機具有風能資源利用效率高、年利用小時數高、容量系數小和凈發電高等優點，而且海上風電項目由于整體成本高，所以對風機的單機容量要求更大，以求降低成本。因此，大容量風機機組已經成為海上風機發展的趨勢，將逐步取代單機容量小于2MW的海上風機機組。目前，國家能源局已經下發文件要求潮間帶風電場所選機型單機容量應大于2.5MW，近海風電場所選機型單機容量需大于3.0MW。近年來，國外海上風電場單機3MW以上已安裝及運行的主流機型主要包括：德國Enercon E－126（6～7MW）、Gamesa G128（4.5MW）、Simens 3.6／4.0MW、Vestas V112－3.0MW、GE 3.6MW、Multbird 5MW 以及Repower 5MW 機型等［4］。

目前，國內的主流海上風機單機容量范圍為3～5MW之間，其風輪直徑范圍為112～140m之間，其中華銳3MW風機葉輪直徑為105m或113m，上海電氣3.6MW 的風輪直徑為116m或122m，西門子4MW的風輪直徑為120m或130m，湘電5MW的風輪直徑為115m或128m，GE 4.1MW風輪直徑113m，海裝5MW的風輪直徑為154m，華銳5MW葉輪直徑128m或154m，東汽5.5MW 的風輪直徑為140m，隨著風電行業、風機技術的不斷發展，選擇單機容量更大的機組已經成為行業發展的共識，目前國內外各大廠商紛紛研制更大容量的機組并取得了豐碩的成果，例如目前華銳SL6000，葉輪直徑128m；金風科技6MW，葉輪直徑150m；阿爾斯通6MW葉輪直徑為150m；維斯塔斯正在研發的8MW風機，葉輪直徑達到164m。由此可見，隨著風機單機容量不斷增加，其葉片的直徑也相應不斷增大。

根據《海上風電開發建設管理暫行辦法》的有關要求：單個風電機組塔架用海面積按塔架中心點至基礎外緣點再向外擴50m為半徑的圓形區域計算。以我國現今較為流行的3MW機型為例，其葉片直徑范圍為104～112m之間，采用的基礎多為三角樁基礎結構形式，三角樁一般均勻分布在以塔架為圓心的圓周上，單個風機塔架中心至三角樁外緣的圓半徑一般為16～20m，外擴50m保護范圍后，其用海面積為半徑66～70m圓的面積，大于風機葉片（直徑為104～112m）為直徑形成的圓周的面積。因此，在此情況下，外擴50m為半徑的圓形區域能夠起到保護風機基礎和風機葉片的作用。

隨著可再生能力的比例逐步提高，海上風電場總裝機容量也逐漸增加，然而，單純的通過增加風機數量來增加發電量，不僅不利于提高風能資源，而且占用海域面積過大，不利于海域資源的高效利用。

提高單機的裝機容量成為近年來海上風電發展的趨勢，為了獲得更大的掃風面積，風機的葉片直徑也隨之增大，雖然風機基礎的尺寸也相應加大，但遠不及風機葉片增長的速度。例如，單機容量為5.5MW的風機葉片直徑為140m（東汽），單機容量為6MW的風機葉片直徑為150m（阿爾斯通），單機容量為7MW的風機葉片直徑為165m（三菱），這就容易導致風機葉片的半徑長度超過了風機塔架中心點至基礎外緣點再向外擴50m的長度，在葉片旋轉時（不僅包括葉片在風作用下的旋轉，也包括風機機頭時葉片始終保持迎風而做的旋轉），葉片末端的垂直投影形成的圓的面積會超過風機塔架中心至風機基礎外緣線外擴50m為半徑所得圓的面積，這就造成外擴50m的保護范圍不能覆蓋風機葉片的工作范圍（圖2）。風機葉片隸屬于風機，作為透水構筑物用海界定時，應將透水構筑物最外緣的垂直投影作為外界址線，因此，現行的海上風電單個風機用海面積的界定方法存在一定的缺陷，需考慮風機葉片長度的影響。

圖2 風機葉片半徑長度超過風機單機用海范圍示意圖（以三角樁基礎風機為例）

6 近海風電場單機用海面積界定方法的建議

按照《海籍調查技術規范》，目前現有風機基礎結構形式均為透水式，故海上風機用海方式應屬透水構筑物用海，透水用海構筑物外界址點的界定應以透水構筑物最外緣的垂直投影來確定。風機的葉片是屬于整個風機的一部分，隨著風機單機裝機容量的不斷提升，單個風機葉片的半徑會逐漸超過風機塔架中心至風機基礎的外緣外擴50m后的長度，故應將風機運行時葉片旋轉形成的垂直投影圓形的外緣作為外界址點來界定。然而，現行的單個風機用海面積的界定方法，實際上是將葉片與風機基礎割裂開，當將海上風機作為透水構筑物用海來界定用海面積時，未考慮風機葉片工作時葉片外緣垂直投影的影響，因此，現行的單個風機用海面積的界定方法與技術規程的要求存在一定差距，這也是導致現行的海上風電單機用海面積界定方法不能適應未來海上風機發展需要的主要原因。

為了適應海上風電機組單機容量逐漸增大的趨勢，同時，規范海上風電場用海面積的界定，根據《海籍調查技術規范》中透水構筑物用海面積界定的原則，提出了改進的海上風電場單個風機用海面積界定的方法——非封閉管理的海上風電機組用海面積為所有海上風力發電機組占用的海域面積之和，單個海上風力發電機用海面積按以風機塔架中心為圓心，風機葉片半徑外擴40m為半徑所得的圓形區域（圖3）。上述單個海上風力發電機用海面積界定方法的優點是無論海上風力發電機的葉片直徑如何加長，都能夠保證風機葉片工作時，葉片末端的垂直投影形成的圓形區域始終位于單個風機的用海范圍內，從而有效地保護了整個風機，也符合《海籍調查技術規范》中有關透水構筑物用海面積界定的原則。同時，參照《海籍調查技術規范》中規定的“海洋礦產和油氣資源開發以及電力工業用海中的透水構筑物用海一般以外擴10～50m作為用海外界址線”，以及“水下發電設施用海，以發電設施外緣線外擴50m距離為界”的用海界定方法，考慮到海上風力發電機用海類型為海洋礦產資源和電力工業用海，兩者用海的外擴距離具有一定的相似性和可借鑒性，但考慮到海上風力發電機工作場所位于海表面，又與水下發電設施用海具有一定的差異性，故本方法中提出外擴40m作為保護范圍。該方法與《海上風電開發建設管理暫行辦法》中提出的單個風機用海面積界定方法相比，雖然單個海上風力發電機的用海面積要大些，海域使用金將有所增加，但由于透水構筑物用海的單位面積海域使用金較少，故總體上增加的海域使用金相對較少，同時發揮了價格杠桿的作用，能夠促進相關電力設計單位優化平面布置和尾流系數，最大限度地節約使用海域空間資源。

圖3 近海風力發電機用海面積界定方法示意圖

7 結論

由于現有的海上風力發電機單機用海面積界定的方法將風機基礎和風機葉片割裂開來，與《海籍調查技術規范》中的透水構筑物用海面積界定原則有所差異，而且，鑒于目前海上風力發電機單機裝機容量逐漸增大，風機葉片直徑逐步增加的趨勢，導致按照現行的海上風力發電機單機用海面積方法界定時，由風機塔架中心至風機基礎外緣外擴50m后所得的圓形區域不能涵蓋風機葉片工作時的垂直投影的圓形區域，故現行的海上風力發電機單機用海面積界定方法存在一定的局限性。因此，按照《海籍調查技術規范》中透水構筑物用海面積界定的原則，同時考慮到海上風力發電機葉片直徑逐步加長的趨勢，提出了改進的海上風力發電機單機用海面積方法：非封閉管理的海上風電機組用海面積為所有海上風力發電機組占用的海域面積之和，單個海上風力發電機用海面積按以風機塔架中心為圓心，風機葉片半徑外擴40m為半徑所得的圓形區域。該方法的優點是無論海上風力發電機的葉片直徑如何加長，都能夠保證風機葉片工作時，葉片末端的垂直投影形成的圓形區域始終位于單個風機的用海范圍內，從而有效地保護了整個風機。

［1］王徽，黃成力.海上風力發電技術［J］.上海節能，2007（1）：23－26.

［2］趙世明，姜波，徐輝奮，等.中國近海海洋風能資源開發利用現狀與前景分析［J］.海洋技術，2010，29（4）：117－121.

［3］曹文勝.海上風力發電及其技術發展綜述［J］.能源與環境，2012（5）：11－14.

［4］張興偉，陳嚴.風力機大型化發展中的總體設計技術［J］.新能源進展，2013，1（3）：11－14.