巨型渦輪機進軍海上風電

Sean O’Neill

Senior Technology Writer

巨型渦輪機似乎將定義未來十年的海上風能行業(yè)。Haliade-X作為第一臺巨型渦輪機，由總部位于法國巴黎的GE可再生能源公司（GE Renewable Energy）設(shè)計和制造，高260 m，轉(zhuǎn)子直徑為220 m，其長達107 m的葉片掃掠面積達38 000 m2（圖1）。原型機建在荷蘭鹿特丹的港口邊（圖2），其最初是一臺12 MW的機器（后來被優(yōu)化為13 MW）。這臺渦輪機在2019年11月生產(chǎn)了首個毫瓦時的電力，并于2020年11月獲得行業(yè)認證。該公司稱，目前Haliade-X的發(fā)電量比其他海上風力渦輪機的發(fā)電量多45%，年發(fā)電量高達67 GW·h，足以為16 000個家庭供電[1]。

圖1. Haliade-X是目前世界上最大的海上風力渦輪機，可為大約16 000個歐洲家庭供電。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 Renewable Energy，經(jīng)許可。

在海上安裝的第一臺Haliade-X渦輪機將是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風電場。該項目在前兩個階段訂購了190臺渦輪機，第一臺渦輪機于2022年安裝。第三階段，即最后一個階段，將安裝14 MW版本[2]。按照目前的計劃，該風電場將成為世界上最大的風電場，每年發(fā)電18 TW·h，為600萬英國家庭供電。

Dogger Bank風電場商業(yè)總監(jiān)Simon Bailey說：“更大、更高容量的渦輪機減少了所需的渦輪機數(shù)量，并使得從安裝到運行和維護的效率更高。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自升式船由比利時土木工程公司Jan de Nul制造，其在完全伸展時，從位于海床上的腿底部到起重機頂部可達325 m（比埃菲爾鐵塔還高一些），并且可提升3000 t的重量（圖3）[3]。

對投資者和電力公司來說，大型渦輪機最具吸引力之處在于其平準化能源成本（LCOE）的結(jié)果，即在渦輪機大約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營成本。從本質(zhì)上講，這些渦輪機是“規(guī)模經(jīng)濟”（economies of scale）。

圖3. 比利時Jan de Nul集團制造的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（位于北海的Dogger Bank風電場）。圖片來源：Jan de Nul Group，經(jīng)許可。

2020年，GE可再生能源公司在已投產(chǎn)的風力渦輪機裝機容量（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[4]。然而，總部位于西班牙Zamudio的Siemens Gamesa公司以大約2/3的海上裝機容量引領(lǐng)海上市場。作為對Haliade-X的回應，2020年5月，該公司宣布推出一種新的直接驅(qū)動渦輪機：14 MW SG14-222 DD，其轉(zhuǎn)子直徑為222 m，僅比Haliade-X寬2 m。該原型機計劃于2021年年底在丹麥北部的?sterild完成，預計在2024年投產(chǎn)[5]。

與此同時，位于中國廣東省中山市的明陽智慧能源集團股份公司擁有一臺相當大的渦輪機，即MySE11-203。該公司計劃在2021年完成這款11 MW渦輪機的原型制造（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[6]。為在這個日益集中的領(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的計劃。Vestas公司的V236-15.0 MW渦輪機的轉(zhuǎn)子直徑為236 m，是世界上最大的渦輪機。其原型機將于2022年建成，商用機則于2024年開始生產(chǎn)[7]。

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海上風電場Vindeby中的11個渦輪機的單個裝機容量：450 kW [8]。到2019年，海上渦輪機平均裝機容量已增加到7.2 MW。根據(jù)位于比利時布魯塞爾的國際風電行業(yè)貿(mào)易協(xié)會全球風能理事會（Global Wind Energy Council）的數(shù)據(jù)，到2025年，海上渦輪機平均發(fā)電量將達到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。

隨著海上渦輪機規(guī)模的擴大，其在風能市場的份額也在擴大。2009年，海上渦輪機裝機容量僅占全球新增風電裝機容量的1%。而到2019年，新的海上渦輪機裝機容量則占了10%。就運行中的總裝機容量而言，目前海上渦輪機裝機容量為35 GW，約占總風電裝機容量的5% [8]，相當于避免了6.25×107t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[9]。此外，2020年是海上風電新增融資創(chuàng)紀錄的一年，融資規(guī)模超過15 GW。這比2019年的紀錄高出50%以上，是2012年融資金額的15倍[4]。

這一增長在很大程度上反映了歐洲風電裝置安裝量的穩(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，中國安裝的海上風電裝置的容量約3 GW，是全球新增裝機容量6 GW的一半[9]。美國在海上風電發(fā)展方面進展緩慢，但在2021年3月，拜登政府宣布“快速啟動”采購計劃，力爭到2030年建成30 GW海上風電裝機容量的國家目標[10]。

這一階段似乎為下一個十年奠定了基礎(chǔ)。除此之外，海上渦輪機可能有多大？英國海上可再生能源推進中心（Offshore Renewable Energy Catapult，致力于海上可再生能源的技術(shù)創(chuàng)新和研究）的測試和驗證總監(jiān)Tony Quinn，負責在推進中心位于布萊斯的設(shè)施中測試Haliade-X葉片和機艙（圖4）。Quinn說：“對于未來幾代渦輪機，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，對于渦輪機部件的其他方面，規(guī)模經(jīng)濟的正常規(guī)則適用，因此我們應該考慮整個系統(tǒng)?！?/p>

圖4. 長達107 m的Haliade-X葉片抵達位于布萊斯的英國海上可再生能源推進中心，開始獨立測試。圖片來源：Offshore Renewable Energy Catapult，經(jīng)許可。

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提出了不同的擔憂：“從業(yè)務(wù)案例的角度來看，沒有理由不擴大規(guī)模。首要的潛在瓶頸是安裝船的大小。我們關(guān)心的是渦輪機塔架的提升。新一代渦輪機需要一艘?guī)в衅鹬貦C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)電機所在的位置）?！睋Q句話說，如果渦輪機變得更大，就沒有實際的安裝方法。

但是風力發(fā)電不僅僅要擴大規(guī)模，各種新的風力發(fā)電技術(shù)也正在開發(fā)，旨在填補較小的利基市場[11,12]。這些技術(shù)包括使用系繩“風箏”從高空風中產(chǎn)生能量以及使用纏繞在路邊燈柱周圍的渦輪機（由過往汽車排出的空氣提供動力），甚至無葉片渦輪機，即“skybrators”，通過渦旋脫落的風現(xiàn)象，前后擺動產(chǎn)生能量[13,14]。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浪潮即將到來，但Quinn表示，我們不應期望渦輪機尺寸會很快出現(xiàn)進一步的飛躍。他說：“渦輪機尺寸的快速增長正在逼近材料科學和可制造性的邊界，規(guī)模的階梯變化不僅帶來技術(shù)挑戰(zhàn)，也帶來供應鏈能力和產(chǎn)能的挑戰(zhàn)?！?/p>