風(fēng)力發(fā)電已成為新能源的重要組成部分。在陸上風(fēng)電競(jìng)爭(zhēng)日益內(nèi)卷和利潤(rùn)率逐漸下滑的背景下，開(kāi)拓海上風(fēng)電已成為全球大趨勢(shì)。
根據(jù)彭博新能源（BNEF）發(fā)布的2021年全球海上風(fēng)電報(bào)告顯示，2021年全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量約13.4吉瓦（GW），最大的貢獻(xiàn)來(lái)自中國(guó)，占四分之三強(qiáng)，約10.8吉瓦。
根據(jù)生態(tài)環(huán)境部2022年10月發(fā)布的《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)2022年度報(bào)告》，截至2021年底，中國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到10.63億千瓦，占總發(fā)電裝機(jī)容量的44.8%，海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模躍居世界第一。2021年，新吊裝海上機(jī)組2603臺(tái)，新增裝機(jī)容量達(dá)到1448.2萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)276.7%，主要分布在江蘇、廣東、浙江、福建、遼寧、山東和上海。
與傳統(tǒng)的陸上風(fēng)電場(chǎng)相比，海上風(fēng)電場(chǎng)具有豐富的風(fēng)力資源和更高的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)；可大容量大規(guī)模開(kāi)發(fā)；由于不像陸上風(fēng)電受土地限制，海上風(fēng)電傳輸方式更加靈活等優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于風(fēng)電整機(jī)銷售商來(lái)說(shuō)，海上風(fēng)電產(chǎn)品的單價(jià)和毛利率也顯著高于陸上風(fēng)電毛利率。
但從陸上水電工程走向海洋風(fēng)電工程，不是一件輕而易舉的事情。海洋工程的難度和挑戰(zhàn)非常大，不僅要面對(duì)海域的復(fù)雜環(huán)境，海上風(fēng)機(jī)的大型化趨勢(shì)也面臨運(yùn)輸碼頭和運(yùn)輸船舶的改造與升級(jí)。
塔筒矗立海上，海平面以下是數(shù)十米的水深，在下面的海床上要把基礎(chǔ)做得扎實(shí)牢靠，塔筒頂端裝上葉輪，海風(fēng)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)葉輪背后的發(fā)電機(jī)，電流便通過(guò)塔筒內(nèi)和埋在海底的海纜傳導(dǎo)至海上升壓站，再以高壓方式送到岸上并入電網(wǎng)，傳送至千家萬(wàn)戶。
近年來(lái)，海上風(fēng)電機(jī)組為了捕獲更強(qiáng)的風(fēng)能，不斷加大尺寸：高度越來(lái)越大，葉片越來(lái)越長(zhǎng)。但這種發(fā)展帶來(lái)了包括工程升級(jí)，海上基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等諸多挑戰(zhàn)。
特別是海上風(fēng)電要繼續(xù)向深遠(yuǎn)海方向發(fā)展，更面臨一系列問(wèn)題及挑戰(zhàn)。
1 大型化增加投資支出
海上風(fēng)電發(fā)展面臨的現(xiàn)有問(wèn)題之一是投資支出的增加，隨著開(kāi)發(fā)區(qū)域向深海拓展，其面臨的投資成本將進(jìn)一步增加：定制的工程船舶、新的設(shè)施和平臺(tái)安裝建設(shè)、勞動(dòng)力培訓(xùn)等，使得海上風(fēng)電一次成本持續(xù)增加。
海上風(fēng)電場(chǎng)總投資成本接近為陸地風(fēng)電場(chǎng)的2倍，從而抵消了一部分相比于陸上風(fēng)電場(chǎng)更高的市場(chǎng)收益。因此，降低投資成本將是解決海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展問(wèn)題的重要手段之一。
風(fēng)機(jī)大型化是海上風(fēng)電成本逐年下降的功臣之一。
風(fēng)機(jī)的單機(jī)裝機(jī)容量越大，單位兆瓦的基礎(chǔ)成本就會(huì)被攤薄，海域占用面積也會(huì)減少，連片化以后，風(fēng)機(jī)的運(yùn)維費(fèi)、施工費(fèi)等的攤銷也會(huì)相應(yīng)降低。
大型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入市場(chǎng)的速度快于行業(yè)預(yù)期。隨著規(guī)模不斷擴(kuò)大，海上風(fēng)電成本持續(xù)下降。2014年全球海上風(fēng)電平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）為1.56元，2017年為0.79元，2021年下半年降至0.57元。LCOE最低的國(guó)家包括荷蘭、丹麥、英國(guó)和中國(guó)，分別為0.46、0.49、0.50、0.52元。
2 葉片增大受條件限制
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換功能的關(guān)鍵部件，葉片尺寸會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)對(duì)于風(fēng)能的捕捉能力，進(jìn)而影響發(fā)電量。
近年來(lái)，我國(guó)新增風(fēng)電機(jī)組平均風(fēng)輪直徑不斷加大，已經(jīng)從2011年的81米加大到了2020年的136米；美國(guó)從2010年的84米加大到2020年的125米。
由于高空中風(fēng)速往往更大，因此提升風(fēng)電塔架高度能夠增加發(fā)電的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)，從而提升發(fā)電量。
根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)測(cè)算，風(fēng)切變?yōu)?.3時(shí)，塔架高度從100米增加到140米，年平均風(fēng)速將從5.0m/s增加到5.53m/s，機(jī)組的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)可從1991小時(shí)增加到2396小時(shí)，發(fā)電量將能提升20.34%。2006-2020年，美國(guó)新增陸上風(fēng)電機(jī)組平均機(jī)艙高度從76米提高至90米。
隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)高度的不斷增加，更長(zhǎng)的葉片顯然將具有更大的掃風(fēng)面積，從而捕獲更多的風(fēng)并產(chǎn)生更多的功率，但同時(shí)也有限制。
為了避免葉片與雨滴和海浪之間的碰撞造成腐蝕，葉片尖端的速度必須限制在90米/秒。隨著風(fēng)輪機(jī)變高和葉片變長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子的速度變慢，葉片必須在更大程度上偏轉(zhuǎn)風(fēng)向，以便產(chǎn)生相同水平的功率，這將導(dǎo)致風(fēng)輪機(jī)承受額外的力，將增加風(fēng)輪機(jī)的重量和成本。
同時(shí)，較長(zhǎng)的葉片將變得更加靈活，無(wú)法完全控制周?chē)臍饬?，也無(wú)法在極端風(fēng)況下防止葉片與塔架相撞。
3 大型化影響運(yùn)輸與安裝
將風(fēng)電機(jī)組安置在水下的漂浮平臺(tái)上，通過(guò)幾根錨索固定在海底的海床上。通常情況下，漂浮平臺(tái)位于水深30米至60米以上海域處。但目前，漂浮式風(fēng)電成本是固定樁基式的兩三倍，施工難度較大，成本較高。
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的持續(xù)增高不僅受到生產(chǎn)、安裝和運(yùn)營(yíng)方面問(wèn)題的困擾，運(yùn)輸方面也同樣面臨挑戰(zhàn)：將葉片和塔架從工廠運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，以及在現(xiàn)場(chǎng)組裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，將是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
根據(jù)目前各大船企披露的信息，到2023年，全球預(yù)計(jì)將新增6艘超大型重型風(fēng)機(jī)吊裝船，但市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)指出，新增船舶的數(shù)量實(shí)際上難以匹配各國(guó)海上風(fēng)電項(xiàng)目的需求，到2026-2027年，全球范圍內(nèi)海上風(fēng)電安裝船短缺問(wèn)題預(yù)計(jì)更加嚴(yán)重。
風(fēng)機(jī)的機(jī)艙吊裝高度與水下基礎(chǔ)的重量都隨之提升，衍伸出現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)安裝船的吊掛高度與水下基礎(chǔ)安裝船的吊裝能力無(wú)法滿足新一代14、15MW的風(fēng)機(jī)。
港口基礎(chǔ)設(shè)施、巨型安裝載體和起重機(jī)，也是挑戰(zhàn)。
因此，許多沿海國(guó)家擁有多個(gè)淺海區(qū)域和適合發(fā)展海上風(fēng)電的優(yōu)良風(fēng)場(chǎng)場(chǎng)地，仍需要考慮風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)鏈、港口設(shè)施、安裝船的數(shù)量和專業(yè)技術(shù)人員。
風(fēng)機(jī)安裝船是昂貴的固定成本，每艘的建造成本在3億－5億美元之間，雖然相較于油氣產(chǎn)業(yè)通用的船只營(yíng)運(yùn)成本低，卻提高了船只的資產(chǎn)專用性，更不利于船東退出市場(chǎng)或處置資產(chǎn)。當(dāng)供過(guò)于求的時(shí)候船東會(huì)被迫通過(guò)削價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的方式來(lái)維持營(yíng)運(yùn)以分?jǐn)偣潭ǔ杀?，船東縱使看到市場(chǎng)機(jī)會(huì)，也不敢貿(mào)然出手。
如今，中國(guó)近海資源開(kāi)發(fā)相對(duì)完善，后續(xù)在遠(yuǎn)海地區(qū)可能由國(guó)家統(tǒng)一管理。碳中和背景下，預(yù)計(jì)海面資源會(huì)逐步開(kāi)放，海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)市場(chǎng)空間將進(jìn)一步拓寬。
隨著項(xiàng)目成本管控及運(yùn)維能力的提升，不少海上風(fēng)電企業(yè)也在謀劃向風(fēng)能資源更為豐富的深海、遠(yuǎn)海方向發(fā)展，研發(fā)方向聚焦漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)。
相關(guān)專家表示，一方面，碳交易機(jī)制逐步落地，為海上風(fēng)電帶來(lái)新的收益點(diǎn)，風(fēng)電項(xiàng)目未來(lái)可通過(guò)出售碳減排量來(lái)獲取應(yīng)有的環(huán)保經(jīng)濟(jì)收益；另一方面，海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)融合發(fā)展，將實(shí)現(xiàn)清潔能源與安全水產(chǎn)品的同步高效產(chǎn)出，可提升風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)商整體收益。
