风电知识丨海上风电选择的要素

芷蕾水电 2024-02-23 18:31:17

影响海上风电选址的条件

1.1 资源、地理因素

1.1.1 风资源

海上风电基地对于海风的要求很高,要求海风要有一定的平均风速与风功率密度,要将风速和风功率密度保持在6m/s和200W/m2以上。具体的风速划分等级如下:

表 1风速资源投资划分表

平均风速(m/s)

投资回报

6-7

低风速、经济效率低

7-8

中等风速、投资回报周期长

8-9

高风速、利润合理

9-10

最佳风速、高回报

在我国,海洋风条件最好的地址位于台湾海峡一带,其次在广东、上海、江浙一带,最后是山东、河北一带。在海上风电基地的选址上,要在宏观上先确定区域,再对风资源进行评估。

在保证最佳风速、风功率密度的情况下,也应考虑另一种极端情况——台风。强台风会严重损害风机叶片、机舱和结构部件(塔筒、基础等)。所以,在选择合理的地址之后,要充分考虑恶劣天气和灾害的影响,制定抵御台风等极端天气影响的具体措施,增强风电机组的结构强度,防止因台风等恶劣气候而产生的风电场后期建设和营运成本的增加。

1.1.2海底地质结构、海底深度

海上风电有两种类型:固定式海上风电与漂浮式海上风电。下面针对海底结构、海底深度、波浪海况对两种类型风电厂址的影响分别讨论。

图 2固定式海上风机

图 3漂浮式海上风机

所谓本固枝荣,一个稳固的基础对于海上风机来说是非常重要的,对于在沿海浅水海域建立的将地基根植于海床的固定式风机来说,海底的地质条件极其重要,所以合适的海域,不仅可以减少成本、利于施工,还可以有效的避免地质灾害,是建立海上风电基地所需要考虑的重要因素之一。因此建立海上风电基地需要对所选海域进行地质勘探,合理布置勘探点位可以全面的了解海洋床底区域的地质构造。一般情况下,被细小颗粒覆盖的海床条件相较于有较大沉积物的海床更利于建设海上风电基地。

对于固定式海上风机的另一个重要的影响因素是海底深度。在动力机组中,标准地基不适合深海软质条件,需要更复杂的基础,给深水施工安装带来很大的难度。若水深超过40m,千斤顶驳船将不能完成工作,需要受海况影响较大的锚式起重船来进行吊装。海底电缆的铺装范围也在5-30m的水深范围内。基于目前的技术,40m是海上固定式风机开发的最大可行水深,若为水深大于50m的深远海域, 采用漂浮式支撑基础搭载大型或超大型风电机组是目前兼顾技术可行度和成本优势的理想选择。

1.1.3波浪海况、能见度

不论固定式风机还是漂浮式风机,都需要考虑波浪海况。波浪包含大量的动能和压力,会对结构产生较大的重复荷载,对海上风机结构的寿命和动态行为有严重的影响,如:波浪引起发电机组基础和结构的水平荷载增大。在风电场运行期间,恶劣的风浪影响安全进入或工作,增加了运营成本;大浪妨碍建设施工,增加施工成本。就国内而言,渤海、黄海、东海和南海的波高以南海最大,年平均波高为1.5m;东海、南黄海次之,年平均波高为1.0-1.5m;渤海、北黄海较小,年平均波高仅0.5-1.0m。

除此之外,海上风电还受到潮差的影响。位于低水位和高水位之间的基础部分遭受的腐蚀最为严重,且容易生成生物淤泥,潮差也会给施工维护带来影响。

表 2潮差对海上风电建设的影响

潮差(m)

建设影响

0-4

少有问题

4-8

较轻挑战

>8

适度挑战

波浪条件还包括潮汐。潮汐流所引起的水平载荷、泥沙冲刷也影响着海上风电的建造与运维,使安装、维修面临更大的挑战,增加了建设成本。

表 3潮汐流对海上风电建设的影响

潮汐流峰值(cm/s)

建设影响

0-50

少有问题

50-100

较轻挑战

100-150

相对有挑战

150-200

很大挑战

>200

不适合建设

在降雨、降雪以及大雾天气情况下,海上的能见度会降低,这将会增加船舶安全航行的难度。若场址区域的天气长期处于能见度不佳的情况,则会对周边船舶通航带来很大的影响。能见度不佳会降低船员视野范围,降低船员对附近水域情况的判断力,给船舶安全航行、避让带来一定的困难,船舶发生碰撞、偏航、搁浅的几率会大大上升。能见度的评价指标一般是年雾天数,所以在进行海上风电基地场址选择时,要提前对所选海域的年雾天数有了解。

1.1.4地震和构造风险

在中国东部沿海地区有轻微的构造断层,这些断层若产生板块运动则会诱发地震,严重影响甚至破环海上风电基地的建设与存留。故在选择海上风电基地的场址选择时,要对所选海洋区域的地质进行构造断层的合理间距和地震活动的风险信息进行详细研究,应用于选址设计中。

在我国的各个海域中,福建省海上位于横向地址板块边界;台湾岛区域为地震高发带;在江苏,北部有最低程度的地址灾害,构造活动基本在南部与中部发生。在这些位置建立海上电基地时,当地的条件是必须考虑的。

1.2 海域利用冲突因素

1.2.1 与交通安全的冲突

海上风电基地在建设时期和营运时期都对附近的海上交通安全有着不同的影响。

在建设时期,风机塔架的运输与吊装需要大量使用施工船舶,且由于风机塔架自身高度较大,给运输及吊装增加了作业难度。海底电缆的铺设,增加了通航环境的复杂性。

在营运期,海上风电作为航道中的障碍物,占据了相当大的海域面积,一般的的船舶不能在海域内航行,而风机之间也仅能容许渔船及运维船作业。而对未按要求配备AIS 的渔船,无法监督其能否遵守水上交通安全管理规定,特别在捕鱼及养殖旺季,工程水域内船舶进出频繁,从客观上增加了过往船舶的避让风险。而且海上风机内的电机发电时,还会产生干扰磁场,如VHF、雷达、磁罗经,对通航安全构成一定威胁。

海上风电基地从立项设计到施工,再到投产营运,涉水工程复杂多样,造成的影响可能达到几十年,所以需要合理全面的分析其影响通航安全的因素。

1.2.2 与石油天然气开采的冲突

在渤海和东海有丰富的油气储量,而随着国家对石油、天然气这些战略资源需求的日益增加,在海上开采能源的战略需求与建设工程必将进一步增加,建立海上风电基地时需要协调发展,不可不做提前的基地规划而使海上石油、天然气的开发受到掣肘。

1.2.3 与航运航道的冲突

航道,作为海上通道,在建立海上风电基地时不可避免的会挤占其他船舶的航道。因此,附近航道现状及通航尺寸和通航等级的规划情况,也是场址选择的重要因素。

当风电场与航道的距离过近时,会对在该航道上行驶的船舶产生很大的影响。一般来说,海洋尤其沿海各个区域都有重要的航道,约90%的世界贸易是依靠海上运输完成的,故海上风电基地在施工时要减少对航道的挤占、建成后不能占据航道,特别是繁忙的航道和锚定站点、避风港区,而且在一些不繁忙的航道上也要考虑海上风电机组的微观分布,为船舶航行留出足够的距离,避免船舶与风电机组的碰撞,造成船舶和风电机机组的损坏。

根据我国发布的《海上风电开发建设管理暂行办法实施细则》规定“海上风电场原则上应在离岸距离不少于10 公里、滩涂宽度超过10 公里时海域水深不得少于10m 的海域布局”。在施工过程中,由于选址距离海岸较远,相关施工船舶需要长期的往返于岸边和施工现场,增加了船舶通航环境的复杂性,同时,海上风电基地的风机都采用大容量的水平轴式发电机,其叶片十分巨大,风机高度也接近100m 左右,在运输过程中需要考虑航道的协调能力。

1.2.4 与军事设施的冲突

海上风电基地的选址也应极力避开军事区域,主要的军事区域主要包含:军事管制区、用于军事目的的海域(军事飞行的低空区域,海里的导弹试验区域等)、海底弹药库或海底弹药倾倒区(要提前了解弹药倾倒的大概位置、密度分布等情况)。

1.2.5 与航空雷达通信的冲突

风电机组在雷达监测视线范围内会对雷达产生造波干扰,降低雷达对小型船舶的检测能力,而旋转的风电机组叶片会给雷达造成假信号,在雷达监测系统中显示错误的追踪信号。

海上风电的开发阶段也多有与航空部门和安全部门存在冲突的情况,所以在前期海上风电基地的立项阶段就应与相关部门协调,从而避免这种情况的发生。

风电场施工或运行期间,应设置警戒标志、警示标志、禁航标志、视频监控系统及自动报警系统等,如果有船舶误入风电场区域,建设单位通过广播等方式对其进行警示,并及时与海事部门或渔业部门联系,由海事部门通过高频呼叫船舶并警示其远离该区域。

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