漂浮装置的兴起以应对海上的挑战

作者：George Marsh    来源：Renewable Energy

欢迎访问e展厅 展厅 3 风力发电机展厅 风力发电机,... 福岛（Fukushima）当地虽然悲惨地与核灾难联系在了一起，但是现在它却可能成为日本能源发展新的曙光—主要基于可再生能源。它临近一个将要使用漂浮的海上涡轮风力发电机的地点，并且注定要为可再生能源未来的发展做出重要的贡献。 “漂浮”在这里是更加明智的选择，因为日本有一个狭窄的大陆架能够迅速地进入深水的区域。常规的将涡轮风力发电机安装在海底的桩或重力基础设施上在水深超过50米的水域里变得不切实际，因此将涡轮风力发电机安装在浮动或半潜式的结构上成为了唯一可行的选择。掌握这项技术也将使强风盛行的海上风力资源能够更好地被利用，而不只是停留在浅水的水域中。使用这种方式促进海上风力发电的发展将有助于日本在后福岛时期使用一种更加清洁环保的能源来替代核能。 这解释了为什么日本政府正在支持一个评估使用“漂浮”装置利用风能可行性的示范项目。福岛被认为是一个合适的地方因为它接近能源需求的中心，已经具有陆上连接可以轻松地接入电网，并且具有一定水深的海岸以及经济提振的需求。因此，福岛漂浮海上风力发电场示范项目（FORWARD），倡议将该地区注入新的生命力，并且能够提供清洁的能源。最初，是一个为期五年的对不同漂浮结构的测试，包括三个浮动的涡轮风力发电机以及一个浮动分站。在2020年以后在试验项目结束后，这些设施可以进行扩大并用于建设一个100MW的风力发电场。 目前，一台2MW的日立顺风涡轮风力发电机已经被安装在了一个由三井工程和造船公司（Mitsui Engineering and Shipbuilding Company）建造的半潜式基础设施上了，它使用福岛电力公司（Furukawa Electric Company）的出口电缆将所生产的电力输送到电网中。同时还部署了建在漂浮船柱上的一个66kV的分站，这是一个适用于较深水域的概念。先进的船柱/ 漂浮设备是由一家著名的造船厂，日本海洋联合公司（原石川岛海洋公司）Japan Marine United Corporation (formerly IHI Marine) 和东京大学联合开发的。作为一个初始投资18900万美元项目的进一步阶段，在一台三菱半潜式基础设施上安装了两台7MW的三菱涡轮风力发电以及一个漂浮船柱，计划使用两年的时间。由丸红株式会社（Marubeni Corporation）为首的11个组织组成的财团开发了这个项目。 由于目前还处于将漂浮的基础设施作为海上风力发电产业一部分的早期，因为这个行业本身也还是新兴产业，这些示范项目使得日本处于了风力发电技术漂浮设施分支的领先地位。更重要的是，福岛也并不是该国唯一关注漂浮设施技术的地方。一台日立/日本钢结构工程公司（Hitachi/Japan Steel Works）制造的带有漂浮基础设施的2MW涡轮风力发电机最近被安装在了水深80-100米的日本Kyoshu省海域，并在2012年进行了100kW的电网连接试验。 漂浮的船柱是通过在其基础部分进行配重而保持稳定直立的。（类似于垂钓者所使用的钓鱼浮标）。到目前为止，一般涡轮风力发电机的漂浮船柱都是采用惰性金属、混凝土、岩石或水作为压舱物。但是，在基础部分是否能够使用一些更具有生产力的东西作为压舱物哪？这是一种新型的日本概念，出现在了2013年2月的《东京智能能源周刊》上，这一创新的理念是由Modec公司（Modec Inc）开发的，结合了水面上的一台Darrieus全方位涡轮风力发电机，并且在水面下的漂浮基座中还有一台Savonius海流涡轮发电机。重量较重、旋转缓慢的海流涡轮发电机能够作为漂浮装置的压舱物，保持它直立。在撰写这篇文章的时候（2013年10月）一台0.5MW试验性的混合型Savonius Keel 和 Wind Turbine Darrieus (SKWID)能源转换器已经安装在了日本落佐贺县的海上，预计在2014年与电网连接。这一概念据称比较适合于部署在偏远的岛屿社区中。 不利的一面，在日本具有挑战性的水域中进行开发和运营也存在一定的风险。比如地震事件，其中的一些可能会造成海啸（福岛就曾经经历过），旋风以及较为恶劣的海况。观察家指出日本高度地区集中的电网可能会造成不同区域公共设施之间的联系不足；捕鱼业对任何限制其活动的行为都表示反对；再加上常规的资金问题。船舶操作者们担心在深水风力发电场附近航行的安全性，尤其是对漂浮设施的控制能力表示疑虑。需要制定一定的国际标准来规范这些问题。 不过，日本的进步是非常明显的，并且这也激励了其他一些已经部署了试验性规模漂浮发电项目的国家，比如挪威、英国、法国、葡萄牙、西班牙和美国。 尤其挪威是利用这个概念的先锋。在学习这一技术超过十年之后，石油和天然气公司Statoil公司于2009年开始在挪威的深水海域中运营他们的Hywind漂浮涡轮风力发电机。这台安装在漂浮船柱上的2.3MW的西门子涡轮风力发电机位于距离该国西南部海岸几英里外水深220米的地方。在这个案例中所使用的漂浮船柱是由100米长的空心钢筒制成，并在其底部装满了水和岩石组成的压舱物。这个漂浮结构使用了三个锚以及三条接触系泊链固定在海底。由于它们的深度以及较小的水线面积，漂浮船柱只会最低限度随着海面上的波浪而产生运动。 在建成后最初的两年时间里这台发电机生产了15MWh的电力占到了其总容量的0.46，这个电网连接安装的案例说服了挪威国家石油公司（Statoil），漂浮的涡轮风力发电机是驾驭海上强大风力资源的一个最实用的方法。然而，挪威政府却由于考虑到该国丰富的大型水力发电资源，最终拒绝了对这一概念的商业化进行支持。因此，挪威国家石油公司（Statoil）只能开始探寻在苏格兰和日本对多个涡轮风力发电机进行试验的前景。 挪威国家石油公司（Statoil）也是另一家挪威公司Sway Turbine AS公司的股东，他们一直在开发一种能够适用于无论是固定还是漂浮部署的10MW涡轮风力发电机。姐妹公司Sway Turbine AS公司开始测试一种漂浮发电塔用于作为涡轮风力发电机的基础设施。注意：在2011年产生了一个挫折，在一项早期测试中Sway公司设计的1:6模型在极端天气的情况下沉没了。 漂浮船柱并不是唯一的一种能够用于深水应用的漂浮设施类型。美国公司Principle电力公司（Principle Power Inc）正在推广他们的WindFloat概念，这种概念是使用三个空心圆柱以及桁架共同组成一个三角形的浮动装置来获取浮力。这种结构在圆柱中注入水作为压载物，能够在波涛汹涌的大海中提供较高的稳定性。（涡轮风力发电机就将安置在其中的一个压舱圆柱上。）他们计划在俄勒冈州的Coose湾建立一个基于WindFloat技术的30MW风力发电场，初始使用3.6MW的涡轮风力发电机，项目目前进展顺利，但还是在等待进一步的资金投入。 然而，其实从2011年下半年开始一台2MW的使用WindFloat技术的涡轮风力发电机就开始在葡萄牙海岸外的海上进行运营了，葡萄牙是另一个具有狭窄大陆架能够很快进入深水区域的国家。这台涡轮风力发电机是由Principle电力公司和公用事业组织Energias de Portugal (EDP)共同建造的。他们声称这是在开放的大西洋水域中的第一台海上涡轮风力发电机，同时也是第一台使用半潜式结构来安装多兆瓦涡轮风力发电机。使用WindFloat技术的漂浮装置再加上维斯塔斯（Vestas）的涡轮风力发电机是在塞图巴尔附近岸上的一个可控的环境中进行组装的，然后再使用拖船运送到350公里以外的海上。EDP已经计划扩大安装量到一个小型的风力发电场。 与此同时，2013年5月美国也推出了第一台漂浮的涡轮风力发电机，DeepCwind财团和缅因州大学（University of Maine）共同开发了一个1：8的原型系统。VolturnUS项目是由美国能源部（US Department of Energy）、国家科学基金会和缅因州政府以及缅因州大学共同参与的，四台3MW的漂浮风力发电机将被部署在距离缅因州海岸外约14英里的海上。这是一个最多可达80台风力发电机的风力发电场试点项目，这些漂浮装置将分布在一个4×8公里的区域内，距离缅因湾海岸约20英里。每个装置上都包括三柱混凝土和复合浮动平台以用于安置涡轮风力发电机。 欧洲也在参与 欧洲对漂浮装置也存在着很大的兴趣。我们已经强调了在挪威的典型案例（严格地说，是斯堪的纳维亚地区），但也还有其他的。以下是几个已经部署的示范项目： 瑞典SeaTwirl能源系统公司的SeaTwirl是一种新型的垂直轴涡轮风力发电机（VAWT），使用一个垂直的叶片转子来捕获风能并将它传输到位于转子结构基座中的一个圆环中。这个圆环是有效率的低速能量储存飞轮，它可以在风力中断时驱动连接转子发电机的中心轴。这个轴延伸到水面下方的漂浮设施，并且大海可以作为机器的滚动轴承。由于大海承担了主要的重量，因此SeaTwirl可以更加轻巧也更加坚固。 丹麦的海神P37（Poseidon P37）主要是一台波浪能量转换器，但是它也可以作为涡轮风力发电机的漂浮基础装置。一个37米宽的海上示范项目（全尺寸的装置将长达80-130米）在2008年夏季推出以来已经经过了三个阶段的测试。经过一段时间以后，在2013年9月P37返回到了位于丹麦Onsevig港的海上测试现场，进行进一步的评估。 蓝色H技术公司（Blue H Technologies BV）开发了一种能够漂浮在海面之下的漂浮基础设施，不会受到风力和波浪的影响。第三方生产的涡轮风力发电机可以安装在这种平台之上。 该公司从海上石油和天然气平台所使用的水下张力支架得到了灵感。它具有专利的水下深水平台（SDP）包括了浮力圆桶组成的主体结构，再使用链条将其拴在海底的压重物上，使其能够保持漂浮在水下。主体结构的浮力使得链条能够保持拉紧，因此整个设施不会像松散束缚的完全浮动装置那样根据潮汐的位置而转向。总体而言，安装在这种高度稳定水下平台上的涡轮风力发电机不会产生很大的运动，无论是横向的或是垂直的。Blue H公司表示，SDP可以在陆上进行组装，与涡轮风力发电机一起建造，然后使用拖船将其拖曳到深水的位置。 2007年Blue H公司在意大利南部海岸外13英里水深113米的地方部署了一个75％尺寸的原型平台。然后第二年在平台上安装了一台小型双叶片涡轮风力发电机。虽然这个装置已经在2009年退役了，但是该公司同时又开始建造第二个为2MW涡轮风力发电机设计的张力支架漂浮平台，旨在将其作为他们正在规划的90MW特里卡塞风力发电场的一部分。计划将在2014年推出更大的结合涡轮风力发电机的试验性生产单元。 可以说，欧洲使用漂浮装置的趋势已经在海上硬件的方面建立了一个欧盟高功率、高可靠性海上风力发电技术（HiPRWind）项目。总之，大约有来自8个国家的20多家公司参与了这一合作项目旨在努力扩大海上风力发电的范围。根据第七个五年框架计划，到2015年末，一台1.5MW的漂浮涡轮风力发电机将安装在西班牙北海岸水深超过100米的地方。这项试验性的安装项目将运行两年，从而为未来开发10MW以上的商用漂浮涡轮风力发电机提供有价值的信息。 漂浮平台是由西班牙建筑集团（IDESA）制造的，他们已经在他们位于阿斯图里亚斯的工厂生产了超过1000吨的漂浮钢制结构。1.5MW的涡轮风力发电机是由安迅能风电公司（Acciona Wind Power）制造的，相当于欧盟最终设想的大型深水风力发电场所使用涡轮风力发电机的约十分之一的规模。 总计共有30多个试验性规模，采用漂浮涡轮风力发电机的海上风力发电项目正在全球部署。这些项目为未来在世界各地的海洋收获无限风能奠定了坚实的基础。 作者简介： 在高真空物理、电子、飞行测试和雷达等领域的工程经验，使得George Marsh先生能够进行科技公关，撰写科技新闻。他是《可再生能源聚焦》的撰稿人。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/23/2014)