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浮体式离岸风力发电

浮体式离岸风力发电是指安装在浮动结构上的离岸风力发电系统，特点为可以在较深水域装置离岸风力机，以现今的技术水准，一般认为水深50米以内，适用固定式基础结构的离岸风力发电系统；水深50~200米的海域则适用浮体式离岸风力发电[1][2]。

浮体式离岸风力发电位于商业化初期阶段，自2007年以来已有多家厂商开发出原型产品并进行运转测试。全球第一座、也是目前唯一已进入商业运转的案例，为2017年10月开始运转的Hywind Scotland（英语：Hywind Scotland）。该专案开发商为挪威Equinor，发电厂装置容量为30MW，使用5部西门子6MW风力发电机，安装在该公司开发的浮动结构平台上，每个平台装置一支风力发电机[3]。

发展历程

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Hywind（Norway）：2009年全球第一架全尺寸（未缩小比例）的浮体式离岸风力发电原型机由Equinor于挪威斯塔万格进行组装
 
WinFloat：2011年全球第二架全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机由Principle Power于葡萄牙阿古萨多拉设置

浮体式离岸风力发电概念于1972年首度由麻萨诸塞大学阿默斯特分校的William E. Heronemus教授提出，但直到1990年代中期，在风力发电技术大量商业化之后，该技术才再受到重视[4]。

Blue H

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全球第一架浮体式离岸风力发电原型机由荷兰Blue H科技公司于2007年12月装置[5]。该原型机发电容量为80kW，装置地点在义大利普利亚，距离海岸21.3公里，安装地点水深113米。浮动结构采用张力腿平台（Tension Leg Platform；TLP）设计[6]，该原型机设置目的为收集有关风力和海洋条件的测试数据，已于2008年底退役[7]。

Hywind（Norway）

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全球第一架全尺寸（未缩小比例）的浮体式离岸风力发电原型机由挪威Equinor于2009年9月装置。[8]该原型机发电容量为2.3MW，装置地点在挪威卡姆岛，距离海岸10公里，安装地点水深220米。浮动结构采用柱状浮筒（Spar-buoy）设计。该原型机2009年安装至今仍持续运转，估计每年发电量约900万度，容量因数为41.4%[9]。

WinFloat

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全球第二架全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机，由美国Principle Power于2011年10月装置。该原型机发电容量为2MW，装置地点在葡萄牙阿古萨多拉，距离海岸4公里，安装地点水深45米。浮动结构采用半潜式平台（Semi-submersible Platform）设计。该原型机运转约五年后，于2016年结束测试任务，随后进行除役[10]。

GOTO FOWT（崎山冲）

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亚洲第一例全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机，为日本环境省于2011年启动GOTO-FOWT计画[1]。该计画以两阶段进行浮体式离岸风力发电试验，计画目的为了解浮体式离岸风力装设、运转与除役过程中，对于海洋环境的影响。第一阶段装置尺寸为二分之一比例的浮动结构平台（发电容量100kW）于2012年装置，2013年拆除；原地点2013年装置原比例的浮动结构平台（发电容量2MW），于2015年结束测试并进行拆除。浮动结构由挪威Equinor提供，装置地点为长崎县五岛列岛中的椛岛（英语：Kabajima），装置地距离海岸1公里，安装地点水深91米。[2]

2015年试验结束后，根据验证的结果证实认定装置是安全的，且对环境影响小，可继续营运。于是将原机移至五岛列岛的福江岛，距离岛的东岸崎山冲海岸5公里处继续运转，当地水深约100米，至今持续营运中[11][12]。

Fukushima FORWARD（福岛未来）

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亚洲第二例全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机，为日本经济产业省2011年启动Fukushima FORWARD计画[13]。该计画进行各型离岸风力机与浮体结构的实证研究，以验证各种技术的性能表现，作为日后修改设计与后续大规模装置的参考依据。计画期间共装置四座浮体结构平台，三座在其上装置离岸风力发电机，一座作为海上变电站之用。装置地点位于福岛县外海，距离海岸约20公里，水深100~150米。三支离岸风力机分别于2013年11月、2015年9月、2017年5月完工，之后投入运转。[14]即使日本投入600亿日币巨资进行实验，取得了大量专利，发电机组、变电设备都正常运作，但此计画于令和2年（2020年）12月16日由经产省宣布废止，并进行拆除作业，原因在于台风等因素导致的维护成本过高，不符合商转利益。[15][16]

Hywind Scotland

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全球第一座浮体式离岸风力发电的商转电厂为Hywind Scotland（英语：Hywind Scotland），其开发商挪威Equinor2015年获得苏格兰政府许可，于苏格兰彼得黑德外海设置浮体式离岸风力发电厂，于2017年10月开始运转[17]，电厂距离海岸约30公里，水深95~129米，装置容量为30MW，采用5支6MW西门子风力发电机，浮动结构采用柱状浮筒（Spar-buoy）设计[18]。

发展优势

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  1. 离岸风机大型化（世界排名领先的风机制造商西门子[19]、三菱维斯塔[20]、通用电气皆于2020年宣布14MW以上风机系统）
  2. 超过50米水深且有足够风力能之区域，占全球适合安装离岸风电场域之80%[21]
  3. 海洋覆盖了地球面积约71%~72%，提供了离岸浮动式风力发电机足够安装浅力空间进行大规模开发
  4. 现今离岸风电已尝试搭配其他设施如电转气，使大量电力能够直接引用于化学产业、或加以储存二次利用等

技术

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浮体结构

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浮体式离岸风电用来作为风力机基座的的浮体结构，目前有三种主流技术类型，分别为柱状浮筒（Spar-buoy）、半潜式平台（Semi-submersible Platform）、张力腿平台（Tension Leg Platform；TLP）。另外还有一些浮体结构技术与三种主流技术不同[22][23]。

柱状浮筒（Spar-buoy）

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  • 采直立的柱状型结构，其稳定性来自于整体结构之重心在水中低于浮力中心，亦即下半部较重而上半部较轻。结构简单容易生产、稳定性良好，但其运输及安装挑战较大，且因结构特性通常只能部署于水深超过100米的区域[2][23]。

半潜式平台（Semi-submersible Platform）

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  • 于海面半潜之浮力稳定平台，以悬链锚泊在海床上，通常需要较大及较重之浮体结构，或是配备动态稳定系统以维持稳定。但其吃水较浅，有利于较浅水域装置；其安装与拆卸在主流技术中为最简便，有利于弹性部属[2][23]。

张力腿平台（Tension Leg Platform；TLP）

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  • 由半潜式结构，加上拉紧张力、固定于海床上的锚绳组成。其浮体结构较半潜式平台小且轻，主要靠拉紧的锚炼维持其稳定性。此设计优点在于浮体结构成本低，但其增加锚定系统的应力使得损坏机率提高，而其安装过程也较复杂[2][23]。

其他

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  • 除了以上三种主流技术类型，另外还有多部风力机平台（Multi-turbine Platform）与风能与波浪能混合平台（Hybrid Wind/Wave）等浮体结构[22]。

锚定系统（Anchoring Systems）

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锚定系统示意：左侧结构（松弛悬炼）是自由浮动的，右侧结构由张紧的电缆（张力腿）向海底拉。

锚定系统指将浮体结构系于海床上的锚炼，避免受到风、波浪与海流的影响而产生位移与倾倒。常见的两种工程设计为张力腿（Tension Leg）与松弛悬炼（Catenary Loose Mooring）。张力腿通常采用3至8根拉紧的锚炼系在海床上，使其浮体结构吃水较其自然浮在海面上深，利用锚炼抑制浮体结构的浮力，防止浮体结构位移与倾倒；松弛悬炼的锚炼则是不拉紧，主要防止浮体结构位移，浮体结构依靠自身的稳定性而不倾倒[24]。

IEC 61400-3 设计标准规范基于特定场地外部条件的负载分析，包括风，波浪和海流。IEC 61400-3-2 标准则专门适用于浮体式风力发电机[25]。

经济性评估

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浮体式离岸风力发电系统的技术可行性并没有受到许多质疑，因为使用浮式结构的海上钻油平台已成功运作数十年。但浮体式离岸风力发电系统与海上钻油平台可获得的经济收益差异巨大，因此浮体式离岸风力发电系统除了可沿袭海上钻油平台浮式结构的技术经验，在降低成本上需要做更多的努力。[4]

相对于浮体式离岸风力发电系统，基桩固定于海底的固定式离岸风力发电系统在全球截至2018年底已有数十个商业运转的发电厂，安装风力机支数超过两千支，已证实具有大规模运转的能力。

浮动式与固定式比较，在风力机部分成本接近，但浮动式的浮式结构，配电系统成本高于固定式，因此在经济性上面整体成本浮体式普遍高于固定式，这需要浮体式在削减成本上多做努力，或者政府认定浮体式为新兴技术，给予更高的补助额度[26]。

浮体结构设计团队

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浮体结构为浮体式离岸风力发电系统的开发重点，目前全球已有超过30组浮体结构设计概念[22]，多数团队为专注浮体结构的设计与开发，搭配市场上现有的离岸风力发电机组；少部分团队浮体结构与风力发电机组均自行开发。以下列出各类技术的代表性设计：

柱状浮筒（Spar-buoy）

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DeepWind
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Hywind
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  • Hywind为目前浮体式离岸风力发电系统发展最成功的浮体结构，由挪威Equinor（前称：挪威国家石油公司）所开发。Hywind设置了全球第一架全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机、全球第一座也是目前唯一采用浮体式离岸风力发电技术的商转发电厂，在挪威、日本、苏格兰均有装置案例。[18]
SeaTwirl
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  • SeaTwirl为一家浮体式离岸风力发电系统系统开发商，位于瑞典哥特堡。SeaTwirl浮体结构的技术采用柱状浮筒（Spar-buoy），搭配垂直轴风力发电机。此设计限制运动部件和轴承的需求，可大幅降低系统在水面上部位的重量。[28]2015年SeaTwirl在瑞典吕瑟希尔市海岸设置了一个30kW的原型机[29]，下一阶段目标在2020年推出1MW风力发电机系统来证明其可扩展性[30]。

半潜式平台（Semi-submersible Platform）

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Ideol
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  • Ideol为一家浮体结构平台开发商，总部位于法国拉西奥塔，并在日本设有据点。Ideol技术属于半潜式平台（Semi-submersible Platform），采用环形浮体结构，中央有开口（阻尼池），用于优化基础并维持风力发电机的稳定性。Ideol在2015与2016年与日立造船签订合作协议，在日本共同开发。[31]2017年8月，Ideol参与的EolMed计画取得法国政府的先导计画，将在地中海沿岸的格吕伊桑建置一座24.8MW的浮体式离岸风力发电示范电厂，预计于2020年完成[32][33]。
VolturnUS
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以美国缅因大学为首的DeepCwind联盟（英语：DeepCwind Consortium）所开发1：8比例（20kW）的原型测试机。
WinFloat
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  • WinFloat由美国Principle Power所开发，继Hywind之后，装置了全球第二架全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机，2011年10月在葡萄牙装置2MW测试平台。WinFloat采用半潜式平台（Semi-submersible Platform）技术，由三个浮筒连接组成浮体平台，风力发电机安装在其中一个浮筒上面。Principle Power获得欧盟NER300计画的支持，在葡萄牙进行容量为25MW的WindFloat Atlantic开发计画[35]。

张力腿平台（Tension Leg Platform；TLP）

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GICON
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  • GICON®SOF是由数家德国厂商与学研机构所开发的浮体结构平台，包括弗莱贝格工业大学、罗斯托克大学，以及Fraunhofer IWES。该平台采用张力腿平台（TLP）技术，可部属水深为45米到350米[36]。2017年10月在法国École Centrale de Nantes（ECN）进行 1:50 的模式测试[37]。

其他

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  • 除了以上三种主流技术类型，另外还有多部风力机平台（Multi-turbine platform）如Flowocean[38]、Hexicon[39]，与风能与波浪能混合平台（Hybrid wind/wave）如三井海洋开発（MODEC）的skwid®[40]等浮体结构。[22]

参见

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参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 浮体式洋上風力発電実証事業実施候補海域の選定について（お知らせ）. 环境省. 2010-12-21 [2019-09-01]. （原始内容存档于2017-02-14） （日语）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 浮體式離岸風電技術發展現況與未來展望 (PDF). 能源知识库. 2015-03-22 （中文（台湾））. 
  3. ^ Hywind Scotland, World’s First Floating Wind Farm, Performing Better Than Expected. CleanTechnica. 2018-02-16 [2019-09-01]. （原始内容存档于2019-05-17） （英语）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Musial, W.; S. Butterfield; A. Boone. Feasibility of Floating Platform Systems for Wind Turbines (PDF). NREL preprint (NREL). November 2003, (NREL/CP-500-34874): 14 [2009-09-10] （英语）. 
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  6. ^ The Blue H historical technology development. Blue H. [2020-01-22]. （原始内容存档于2018-07-08） （英语）. 
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  10. ^ WinFloat. Principle Power Inc. [2020-01-22]. （原始内容存档于2020-01-06） （英语）. 
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  12. ^ 崎山沖2MW浮体式洋上風力発電所 (PDF). 戸田建设. 2017-04-03 （日语）. [永久失效链接]
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  20. ^ MHI Vestas working on 'significantly' larger turbine. renews.biz. 2020-10-14. 
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