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全球海上風電技術發展趨勢(中)
2021-10-11
 5、海上風機

增加風機功率是降低海上風電成本的有效手段之一,在允許條件下風電開發商傾向于使用功率最大的風機。由于無須像陸上風電一樣考慮葉片運輸限制,海上風電一般更可能選用超大型葉片。

當前,海上風機制造商競相開發大功率風機機型,以滿足當下及未來的海上風電市場需求。西門子Gamesa、維斯塔斯和通用電氣等公司均在開發12~15兆瓦的新一代風機,初步計劃將在2022年~2024年投入使用。

最近,維斯塔斯宣布開發V236-15.0MW型風機,葉片長115.5米,葉輪掃風面積將達到世界最大。該機型預計2022年初步投入運行,2024年批量生產。

圖7顯示了海上風電機組大型化的歷史趨勢。圖中顯示了全球海上風力發電機容量、輪轂高度和轉子直徑隨時間的變化規律。


圖7 全球海上風機的平均容量、輪轂高度和轉子直徑

風機葉片大型化基于復合材料的制造、設計和創新,以及風機控制技術的進步。由于葉尖一般需與水面留有25-30米的間隙,因此,風機高度一般隨風輪直徑的增大而增加。此外,風機高度的增加,將引起垂直風切變的變化,利于葉輪捕風性能的提升。同時,風機高度增加引起塔筒高度增加,在經濟性上兩者相互抵消。

圖8顯示了全球風機機型首次安裝年份的趨勢。隨著亞洲市場的發展,對全球風機增長趨勢產生較大影響,如圖8所示。例如,NREL數據庫顯示,中國4兆瓦風機項目預計將在2021年投產648兆瓦,亞洲其他5.2~5.5兆瓦風機項目預計投產610兆瓦。

圖8 海上風機樣機與商業海上風機增長的比較

西門子Gamesa可再生能源公司和維斯塔斯公司計劃在不到2年的時間內開發14~15兆瓦的風機。此前,GE在鹿特丹的Haliade-X 12MW機型,在公告發布后不到2年實現安裝。

圖8顯示了從機型發布到商業使用存在約6~8年的滯后。然而,在未來,該滯后時間大大縮短,在樣機安裝后一般將在不到4年的時間內上市。

西方風機趨勢線與亞洲風機的趨勢線的差異表明,亞洲大約低20%-25%。雖然西方和亞洲的趨勢線都在以相當的速度增長,但亞洲風機的升級滯后于西方約4年。

目前世界上運行的最大風機是位于鹿特丹的GE Haliade-X樣機,通過增加發電機和傳動系統的容量,該樣機已達13兆瓦。在海上風電中,用相同的風輪來提升現有風機額定功率的做法在樣機制造商中已變得越來越普遍,將使風機產生更多的能量,提升風電場經濟效益。需特別關注的事,開發商需提前評估疲勞負荷對設計壽命的不利影響。圖9和圖10分別展示了已運營、已發布項目的風機制造市場份額。


圖9 海上風機制造商在運營項目中的市場份額

圖10 已發布項目的海上風機制造商市場份額

西門子Gamesa仍是海上風機的主要制造商,市場份額約為55%。同時數據顯示,隨著維斯塔斯、通用電氣和中國風機制造商的市場份額增加,其在未來項目中的市場份額將降至43%。

就現有產能的市場份額而言,維斯塔斯是第二大風機制造商。三菱-維斯塔斯成立于2013年,旨在維斯塔斯鞏固其在海上風電市場的地位。2020年10月,維斯塔斯宣布正在收購三菱重工的股份。

在2015年收購阿爾斯通之前,GE能源主要專注于陸上風電場。此后,GE進軍海上風電,將原6兆瓦Haliade風機進行升級。2018年,發布12兆瓦的Haliade-X風機。根據已宣布的項目,GE預計的市場份額將增加近15倍。

在中國,從已公布的項目來看,上海電氣、明陽和金風科技占據主導地位。

與固定式海上風電開發商一樣,浮動海上風電開發商希望使用大型海上風機以降低成本。到目前為止,尚無風機設備制造商公布專門用于浮動式海上風機的開發計劃。風機制造商很可能會等到更大、更先進的海上浮式風能項目出現后,才會考慮對浮式風能項目進行投資。

浮動海上風電項目將使用現有的固定式海上風機,并對控制系統和塔筒進行小范圍的改造。例如,Equinor的Hywind Tampen項目計劃在浮動基礎上安裝11臺西門子Gamesa 8.0-167DD風機,蘇格蘭的Kincardine項目計劃在半潛式基礎上安裝5臺Vestas V64-9.5MW風機。

6、海上風電基礎設施

海上風電場約20%的成本來自風電基礎設施,包括風力發電機變壓器、電纜、以及換流站等。

全球海上風電的增長正推動海底電纜需求的增長。該市場分為連接海上變電站和陸地電網的高壓電纜和連接相鄰風機并將電力傳輸到海上變電站的陣列電纜。少數幾家公司主導著全球海底電纜市場,只有Nexans在美國擁有海底高壓電纜制造工廠。

一家領先的高壓電纜供應商NKT估計,到2030年,美國海底電纜的需求將達到691公里/年~1113公里/年,歐洲海底電纜的需求將達到1800公里/年~2000公里/年。此外,該行業的陣列電纜電壓容量從之前的33kV上升到66kV,如圖11所示。開發商可以將相同數量的風機連接到一個陣列串上,同時風機的容量也在增加,行業專家預計電纜電壓升高的趨勢將繼續。


圖11 陣列電纜配電電壓與首次供電年份的關系

圖12顯示了海上風電場項目的高壓電纜長度分布,顯示歐洲具有最大的電纜長度占比。

圖12 風電場數量與高壓電纜長度的關系
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