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浮体式海上风力发电：在海上建造大规模发电站

http://cn.newmaker.com 9/13/2011 7:51:00 AM 日经BP社

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风车漂浮在海上发电的新型风力发电的实用化正在到来。尽管日本对太阳能发电的关注度很高，但从全球来看，仍是风力发电占绝对优势。2010年底日本太阳能发电与风力发电的导入量（按发电容量计算）分别为约360万kW（REN21*1调查结果）与230万kW（日本风力发电协会调查结果），太阳能发电的导入量较大。但从全球来看，2010年底太阳能发电的导入量为4000万kW（REN21调查结果），而风力发电为1亿9800万kW（REN21调查结果），接近太阳能发电的5倍。

*1 REN21 正式名称为Renewable Energy Policy Network for the 21st Century。由国际机构、政府机构、企业及NGO（非政府组织）等组成，是以普及可再生能源为目标的政策网络。2011年7月发行了刊载有可再生能源最新统计数据等的《Renewables 2011: Global Status Report》。

风力发电的普及在日本之所以进展迟缓，是因为日本的强风地区较少，而在山区设置成本较高。但最近情况开始有了巨大变化。这是因为在海上开辟了新的设置场所。

浮体式风力发电具有很大潜力

海上风力发电大致分为两种方式。一种是在海岸附近的浅海地区（水深60ｍ左右以内）建造底座，在上面设置风车的着床式海上风力发电。这种方式从2000年代以欧洲为中心开始普及，尤其是英国及丹麦等国家，集中配置有多台大型风车的海上风力发电厂已开始运转。着床式虽说是在海上，但因风力发电设备可直接设置在海底，因此能够利用陆地上培育的多项技术。

另一种是浮体式海上风力发电。这是一种把风车安装在漂浮于海面的浮体上的方式，可设置在深数百m左右的海域。日本沿岸陡峭水会急速变深，因此可设置着床式风力发电设备的海域有限。但浮体式却没有这种限制，四面环海的日本拥有可用来设置这种发电设备的广阔海域。日本经济产业省调查了风力发电的“赋存量”（除了明显无法设置的场所以外，可设置的全部资源量）及“潜力”（考虑了各种制约因素的资源量）*2。结果显示，陆地风力发电的赋存量稍高于浮体式，而浮体式的潜力远远大于陆地及着床式。

*2 调查由经济产业省委托伊藤忠Techno-Solutions公司实施，调查结果刊登在《2010年度新能源等导入促进基础调查业务（风力能源可导入量相关调查）调查报告》上。

但使风车漂浮在海上的浮体式风力发电需要采用与陆地设置完全不同的技术。具体为，①因波浪而晃动（作用的加速度较大）时要确保浮体的稳定性及风车的耐久性；②在漂浮于海面的状态下可组装或维修风车等。

而且，成本也是一大问题。浮体的开发、制造、海上安装作业，以及铺设用来向陆地输送电力的电缆等，均是会导致成本上升的以因素。也就是说，必须以较低的成本解决上述两项课题。因此，从全球来看，浮体式风力发电目前仍处于实证试验及设计提案阶段，还达不到商业水平。

目前，浮体式风力发电的发电成本为30多日元/kWh，是陆地风力发电的两倍以上。这样的话，无论浮体式的发电潜力有多大，都无法形成一项可行业务。

在这种形势下，为实现与陆地风力发电相当的发电成本而开发浮体式技术的是石川岛海洋联合公司（IHI Marine United，总部东京。以下称IHIMU）。该公司正与东京大学研究生院新领域创成科学研究系教授铃木英之共同开发，以形浮体的状独特为特点。该公司已于2011年4月宣布完成了浮体的概念设计。

可减轻晃动的自主构造

目前在探讨的海上风力发电的代表性浮体有两种，一种是使用圆柱形浮体的圆杆型，另一种是以缆绳拉住具有较大浮力的浮体，利用其张力稳定住浮体的TLP（TensionLeg Platform）型（图）。圆杆型的成本较低，但晃动较大，TLP型晃动较小，但成本较高。

典型的浮体构造
圆杆型通过为漂浮的圆柱状底部加入重锤提高了稳定性。虽与栓绳相连，但并非依靠张力固定。而TLP型是在海底建造底座，用与底座相连的缆绳强力拉住浮体，因此其稳定性较高。

IHIMU的浮体不属上述两种类型。虽基本为圆柱形，但采用水面部、中央部到底部逐步变粗的三层构造。这种独特的形状为该公司开发的“两点无浪形状”。波浪引起的海水运动在海面最为剧烈，越深处越小。因此，较粗部分的上面与下面承受的压力不同（图）。设置多个较粗部分并对形状加以优化之后，可形成两个对某一特定周期的波浪晃动为零的点。而且还可进一步利用这种效果，使浮体在全周期的波浪中减小晃动。为了增加底部的稳定性，还设置了“晃动减轻鳍片”。该鳍片还具有抑制浮体旋转的效果。

可用大直径部分调整波浪的压力
波浪引起的水运动距离水面越近，越接近于大圆周运动。大直径部分上面与下面的深度不同，被施加的压力也不同。利用这种差别，可形成不易晃动的构造。

优化构造体的形状，采用了早造船过程中积累的模拟技术。该技术被称为“三维特异点分布法”，可分析波浪对浮体施加的压力。而且，还以约1/50的比例进行了水槽实验，并结合分析数据确定了基本构造。

据IHIMU介绍，其结果是使风车承受的加速度比普通圆杆型浮体减小了两成。加速度较小时，可减轻对发电机使用的齿轮及轴承施加的负荷，在耐久性及可靠性方面十分有利。IHIMU工程事业部项目组组长粟岛裕治解释称，“虽然比陆地上安装的风车承受的加速度大，但减小两成已是一个相当大的比例”。

吃水深度控制在50m

浮体采用高张力钢厚板制造。水面与中央的较粗部分为获得浮力而采用中空设计，为了降低重心来获得整体的稳定，在底部放入了重锤。重心较低，可抑制风车因风向后倾斜。此次的概念设计设想为输出功率为2500kW级的风车，吊舱（配备发电机等的部分）以下高度为60m，翼长为45m。

实际上，两点无浪形状不仅可减小加速度，还有一大优点。那就是吃水深度较浅。这对降低成本有很大效果。

圆杆型浮体的吃水深度为100m左右，而两点无浪形状浮体的吃水深度只有50m。这样的高度，便可在安装状态（垂直状态）下直接用造船工具建造，然后用起重船将其拖曳至安装场所直接进入组装作业。

而圆杆型需要在横倒状态下建造，拖曳至安装地点后还要垂直组装。“这是需要使用多条船舶的大规模作业，因此设置成本较高”（粟岛）。也就是说，两点无浪形状浮体可大幅降低设置时的成本。

IHIMU正在考虑的另一个低成本对策是，采用可直接降低发电成本的大型风车。因浮体式发电设备要在海上设置，因此即便采用巨型风车其安装场所也不用担心。此次完成概念设计的浮体设想支持输出功率为2500kW级的风车，但也支持5000kW级风车。据该公司介绍，5000kW级风车用浮体的吃水深度同样为60m左右，因此仍可保持设置方面的优势。

“如果能够降低设置成本并实现风车的大型化，发电成本就能降至与陆地风力发电相当的水平”（IHIMU董事兼工程事业部长大松哲也）。如果能实现，潜力较大的浮体式风力发电便可具备普及条件。规定电力公司必须全量收购利用风力、太阳光、水力、地热及生物质等所发电力的“可再生能源特别措施法”似也会起到推动作用*3。

*3正式名称为“关于电力运营商收购可再生能源电力的特别措施法案”。已在2011年8月31日闭幕的第177届例行国会上通过。

但因需要进行技术验证，浮体式风力发电不会迅速普及。从日本风力发电协会2010年制定的蓝图来看，预计会从2020年开始普及，之后会快速普及。因此，首先要使用实机进行实证试验。IHIMU打算与风车厂商合作，早日启动实证试验。即将成为社会基础电力能源之一的纯国产能源即将诞生。

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