本文選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第7期
作者：Sean O'Neill
來源：Giant Turbines Poised to Claim Offshore Wind[J].Engineering,2021,7(7):894-896.
編者按
海上風(fēng)電是風(fēng)電發(fā)展的重要方向。作為風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵裝備，巨型渦輪機(jī)將成為定義未來十年海上風(fēng)能行業(yè)發(fā)展。由法國巴黎GE可再生能源公司最新設(shè)計(jì)和制造的Haliade-X是目前世界上最大的海上風(fēng)力渦輪機(jī)，發(fā)電量比其他海上風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電量多45%，年發(fā)電量高達(dá)67 GW·h，可為16 000個(gè)家庭供電。
中國工程院院刊《Engineering》2021年第7期刊發(fā)《巨型渦輪機(jī)進(jìn)軍海上風(fēng)電》，報(bào)道了巨型渦輪機(jī)Haliade-X的基本情況以及其對海上風(fēng)能行業(yè)帶來的潛在影響。文章指出，盡管巨大的海上渦輪機(jī)浪潮即將到來，但應(yīng)看到，渦輪機(jī)尺寸的快速增長正在逼近材料科學(xué)和可制造性的邊界，規(guī)模的階梯變化不僅帶來技術(shù)挑戰(zhàn)，也帶來供應(yīng)鏈能力和產(chǎn)能的挑戰(zhàn)。
巨型渦輪機(jī)似乎將定義未來十年的海上風(fēng)能行業(yè)。Haliade-X作為第一臺巨型渦輪機(jī)，由總部位于法國巴黎的GE可再生能源公司（GE Renewable Energy）設(shè)計(jì)和制造，高260 m，轉(zhuǎn)子直徑為220 m，其長達(dá)107 m的葉片掃掠面積達(dá)38 000 m2（圖1）。原型機(jī)建在荷蘭鹿特丹的港口邊（圖2），其最初是一臺12 MW的機(jī)器（后來被優(yōu)化為13 MW）。這臺渦輪機(jī)在2019年11月生產(chǎn)了首個(gè)毫瓦時(shí)的電力，并于2020年11月獲得行業(yè)認(rèn)證。該公司稱，目前Haliade-X的發(fā)電量比其他海上風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電量多45%，年發(fā)電量高達(dá)67 GW· h，足以為16 000個(gè)家庭供電。
圖1 Haliade-X是目前世界上最大的海上風(fēng)力渦輪機(jī)，可為大約16 000個(gè)歐洲家庭供電。圖片來源：GE Renewable Energy，經(jīng)許可
圖2 Haliade-X的原型位于荷蘭鹿特丹的港口邊。圖片來源：GE RenewableEnergy，經(jīng)許可
在海上安裝的第一臺Haliade-X渦輪機(jī)將是13 MW 版本，安裝位置在距英格蘭東北海岸約130 km的北海Dogger Bank風(fēng)電場。該項(xiàng)目在前兩個(gè)階段訂購了190臺渦輪機(jī)，第一臺渦輪機(jī)于2022年安裝。第三階段，即最后一個(gè)階段，將安裝14 MW版本。按照目前的計(jì)劃，該風(fēng)電場將成為世界上最大的風(fēng)電場，每年發(fā)電18 TW·h，為600萬英國家庭供電。
Dogger Bank風(fēng)電場商業(yè)總監(jiān)Simon Bailey說：“更大、更高容量的渦輪機(jī)減少了所需的渦輪機(jī)數(shù)量，并使得從安裝到運(yùn)行和維護(hù)的效率更高。我們必須加大其他許多組件的尺寸，包括安裝船，并且它們不會比Voltaire自升式船大?！盫oltaire自升式船由比利時(shí)土木工程公司Jan de Nul制造，其在完全伸展時(shí)，從位于海床上的腿底部到起重機(jī)頂部可達(dá)325 m（比埃菲爾鐵塔還高一些），并且可提升3000 t的重量（圖3）。
圖3 比利時(shí)Jan de Nul集團(tuán)制造的Voltaire自升式船。2022年，該船將被用于安裝第一臺商用Haliade-X渦輪機(jī)（位于北海的Dogger Bank風(fēng)電場）。圖片來源：Jan de Nul Group，經(jīng)許可
對投資者和電力公司來說，大型渦輪機(jī)最具吸引力之處在于其平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）的結(jié)果，即在渦輪機(jī)大約25年的使用壽命內(nèi)每單位電力所需的平均收入用于收回建筑和運(yùn)營成本。從本質(zhì)上講，這些渦輪機(jī)是“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”（economies of scale）。
2020年，GE可再生能源公司在已投產(chǎn)的風(fēng)力渦輪機(jī)裝機(jī)容量（陸上和海上相結(jié)合）方面位居全球首位，該地位之前由位于丹麥奧爾胡斯的能源公司Vestas占居。然而，總部位于西班牙Zamudio的Siemens Gamesa公司以大約2/3的海上裝機(jī)容量引領(lǐng)海上市場。作為對Haliade-X的回應(yīng)，2020年5月，該公司宣布推出一種新的直接驅(qū)動渦輪機(jī)：14 MW SG14-222 DD，其轉(zhuǎn)子直徑為222 m，僅比Haliade-X寬2 m。該原型機(jī)計(jì)劃于2021年年底在丹麥北部的?sterild完成，預(yù)計(jì)在2024年投產(chǎn)。
與此同時(shí)，位于中國廣東省中山市的明陽智慧能源集團(tuán)股份公司擁有一臺相當(dāng)大的渦輪機(jī)，即MySE11-203。該公司計(jì)劃在2021年完成這款11 MW渦輪機(jī)的原型制造（其轉(zhuǎn)子直徑為203 m，采用碳玻璃混合葉片），并承諾在2022年投入商業(yè)使用。為在這個(gè)日益集中的領(lǐng)域中占有一席之地，Vestas公司于2021年2月宣布了其巨型渦輪機(jī)的計(jì)劃。Vestas公司的V236-15.0 MW渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑為236 m，是世界上最大的渦輪機(jī)。其原型機(jī)將于2022年建成，商用機(jī)則于2024年開始生產(chǎn)。
要了解海上電力的發(fā)展程度，請參考1991年位于丹麥海岸附近的世界上第一個(gè)海上風(fēng)電場Vindeby中的11個(gè)渦輪機(jī)的單個(gè)裝機(jī)容量：450 kW。到2019年，海上渦輪機(jī)平均裝機(jī)容量已增加到7.2 MW。根據(jù)位于比利時(shí)布魯塞爾的國際風(fēng)電行業(yè)貿(mào)易協(xié)會全球風(fēng)能理事會（Global Wind Energy Council）的數(shù)據(jù)，到2025年，海上渦輪機(jī)平均發(fā)電量將達(dá)到10~12 MW，這在很大程度上歸功于Haliade-X及即將問世的競爭產(chǎn)品。
隨著海上渦輪機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，其在風(fēng)能市場的份額也在擴(kuò)大。2009年，海上渦輪機(jī)裝機(jī)容量僅占全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量的1%。而到2019年，新的海上渦輪機(jī)裝機(jī)容量則占了10%。就運(yùn)行中的總裝機(jī)容量而言，目前海上渦輪機(jī)裝機(jī)容量為35 GW，約占總風(fēng)電裝機(jī)容量的5%，相當(dāng)于避免了6.25×107 t二氧化碳的排放，或減少了超過2000萬輛汽車上路所帶來的尾氣排放。此外，2020年是海上風(fēng)電新增融資創(chuàng)紀(jì)錄的一年，融資規(guī)模超過15 GW。這比2019年的紀(jì)錄高出50%以上，是2012年融資金額的15倍。
這一增長在很大程度上反映了歐洲風(fēng)電裝置安裝量的穩(wěn)步增長。然而，在過去三年中，中國每年新增的海上風(fēng)電裝置規(guī)模一直處于世界領(lǐng)先地位。2020年，中國安裝的海上風(fēng)電裝置的容量約3 GW，是全球新增裝機(jī)容量6 GW的一半。美國在海上風(fēng)電發(fā)展方面進(jìn)展緩慢，但在2021年3月，拜登政府宣布“快速啟動”采購計(jì)劃，力爭到2030年建成30 GW海上風(fēng)電裝機(jī)容量的國家目標(biāo)。
這一階段似乎為下一個(gè)十年奠定了基礎(chǔ)。除此之外，海上渦輪機(jī)可能有多大？英國海上可再生能源推進(jìn)中心（Offshore Renewable Energy Catapult，致力于海上可再生能源的技術(shù)創(chuàng)新和研究）的測試和驗(yàn)證總監(jiān)Tony Quinn，負(fù)責(zé)在推進(jìn)中心位于布萊斯的設(shè)施中測試Haliade-X葉片和機(jī)艙（圖4）。Quinn說：“對于未來幾代渦輪機(jī)，尺寸越大不一定越好。與最大尺寸相反，最佳尺寸是LCOE收益的函數(shù)。如果葉片的設(shè)計(jì)沒有任何變化，那么捕獲的能量會隨著葉片長度平方的增加而增加，但葉片的重量會隨著其長度立方的增加而增加。這意味著葉片的成本增加速度快于功率輸出。然而，對于渦輪機(jī)部件的其他方面，規(guī)模經(jīng)濟(jì)的正常規(guī)則適用，因此我們應(yīng)該考慮整個(gè)系統(tǒng)?！?
位于丹麥日德蘭半島中部的Siemens Gamesa公司的高級產(chǎn)品經(jīng)理Peter Esmann提出了不同的擔(dān)憂：“從業(yè)務(wù)案例的角度來看，沒有理由不擴(kuò)大規(guī)模。首要的潛在瓶頸是安裝船的大小。我們關(guān)心的是渦輪機(jī)塔架的提升。新一代渦輪機(jī)需要一艘?guī)в衅鹬貦C(jī)的船只，可以一次性將塔架提升到高于海平面140 m的輪轂高度（發(fā)電機(jī)所在的位置）?！睋Q句話說，如果渦輪機(jī)變得更大，就沒有實(shí)際的安裝方法。
但是風(fēng)力發(fā)電不僅僅要擴(kuò)大規(guī)模，各種新的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也正在開發(fā)，旨在填補(bǔ)較小的利基市場。這些技術(shù)包括使用系繩“風(fēng)箏”從高空風(fēng)中產(chǎn)生能量以及使用纏繞在路邊燈柱周圍的渦輪機(jī)（由過往汽車排出的空氣提供動力），甚至無葉片渦輪機(jī)，即“skybrators”，通過渦旋脫落的風(fēng)現(xiàn)象，前后擺動產(chǎn)生能量。在這些較小的規(guī)模市場上，未來有大量的工程創(chuàng)新。
總的來說，盡管巨大的海上渦輪機(jī)浪潮即將到來，但Quinn表示，我們不應(yīng)期望渦輪機(jī)尺寸會很快出現(xiàn)進(jìn)一步的飛躍。他說：“渦輪機(jī)尺寸的快速增長正在逼近材料科學(xué)和可制造性的邊界，規(guī)模的階梯變化不僅帶來技術(shù)挑戰(zhàn)，也帶來供應(yīng)鏈能力和產(chǎn)能的挑戰(zhàn)?！?
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
