专题 日本可再生能源的潜力和未来
浮体式海上风力发电设备“福岛未来”开始运转
[2014.01.22] 其它語言 : ENGLISH | 日本語 | 繁體字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL | العربية | Русский |

11月11日,建于福岛县海域的2000kw风车开始旋转,浮体式海上风电场(风力发电站)实证研究事业正式启动。计划在下一年度内修建的两座7000kw风车启用后,发电总规模可达16000kw,将成为全球最大的浮体式发电站。日本政府将该事业定位为在东日本大地震及核电站事故中遭受重创的福岛县实现复兴的标志,意欲将其打造成风车产业的一大聚集地。

2014年度内追加两座7000kw风车

建在距离楢叶町沿岸约20km,水深约120m海域之中的浮体式海上风力发电设备“福岛未来”已开始发电和对外输电。其生产的电力将通过海底电缆接入东京电力广野火力发电站(广野町)旁边的东北电力公司输电线,可满足大约1700户家庭的用电需求。

风车是日立制作所生产的顺风型风车,叶片(3片)单片长度为40m,直径为80m。风车最高点到海面的距离为106m,这一高度堪比新宿等地的超高层建筑。支撑风车的浮体(三井造船制造)高度也达到了32m。

2000kw顺风型浮体式海上风力发电设备“福岛未来”(福岛海上风力联合体提供)

在距此2km外的海域内还修建了一座名为 “福岛纽带”的变电站,它承载着用于将电力转化为高压电输送至陆地的变电设备和测量风向和风速的观测塔。该站点的海面以上高度为60m。在海上装配66000kv变压器的做法是一种在全球首开先河的创举。

2014年度还将追加建设两座全球最大级别的7000kw发电设备。以“福岛未来”为中心,左右两侧1.6km处各建一座超大型风车(叶片长82m,直径164m,三菱重工业制造)。海面以上高度为187m,与新宿i-land tower(189m,44层)不相上下。建成后,它们不仅不会“随波荡漾”,到更像一个海上巨无霸。

浮体式海上变电站“福岛纽带”(福岛海上风力联合体提供)

“固定式”是全球主流

“福岛未来”之所以广受关注,是因为它采用了将发电设备漂浮于远离陆地的海上的“浮体式”设计。风车和承载风车的浮体结构像“浮子”一样漂浮在海上,并由系留索和锚固定于海底,避免被海流冲走。

长期以来,在海底建造基础结构以固定发电设备的“固定式”一直是全球的主流做法,欧洲地区水深20m左右的浅海海域分布广泛,当地发展海上发电多采用这种方式。从结构来看,其极限水深为30m左右,可以说在深海海域难以采用这种方式建设。

日本利用海上风力的步伐之所以落后,也是因为适合建造固定式设备的浅海海域较少。如果在水深较深海域也可安装设备,那么日本的传统劣势就会逆转为优势。

日本的领海与专属经济区合计面积位居世界第6。海上风力发电资源储量高达16亿kw,大约相当于日本全国10家电力公司所有发电设备装机总量(2.0397亿kw)的8倍规模(环境省“可再生能源储量调查”),极具发展潜力。对于日本而言,这是一种求之不得的能源资源。


“福岛未来”视频资料(拍摄于11月6日,福岛海上风力联合体提供)

三菱重工,采用油压传动装置满足大型化发展需求

单从技术来说,浮体式海上风力发电站的建造技术早已确立。因为我们只需引进在海底油田气田开发过程中获得的浮体式平台技术即可。日本不仅掌握了可满足海上风车向陆地输电要求的海底输电缆线技术,更不乏拥有相关技术的龙头企业。

问题是初期投资成本较高。在深海海域建造浮体式发电设备的建设费用很高,维护费用也远高于陆地上的水平。降低成本的唯一途径是实现风车的大型化。

三菱重工做到了这一点。该企业开发出了一种“油压传动装置”,通过油压将风车产生的旋转力传导至发电机,而不是借助齿轮。除了英国的陆地实证机外,这还将应用在两座7000kw风车(其中一座被命名为“福岛新风”)上。

三菱重工曾在2010年收购了一家名为阿尔忒弥斯的英国风险企业,此装置便是基于该公司技术设计而成的。不仅可以采用电子方式精密控制风车,还有一个优点在于无需配备维修时需要动用大型重机的增速机(变速器)。此前,要建造大型风车就必须提高容易出故障的增速机的增速率,这一直是难以突破的技术瓶颈,而油压传动装置成功解决了这个难题。据说用它来制造1万kw级别的风车也并非难事。

全球市场规模将在2020年扩大到4万亿日元以上

据民间市场调查公司富士经济(总部位于东京)预测,到2020年时,全球海上风力发电市场规模将从2011年的3864亿日元扩大至43443亿日元。2030年时的需求规模则有望达到30875亿日元。

海上风力发电的优势在于海风强劲而稳定。陆上风力发电的运转率仅为20%左右,而海上风力发电则高达30-40%。可以稳定地供应电力。

目前,欧洲引领着全球海上风力发电行业发展,英国更是其中的领头羊。海上风能是已经开始枯竭的北海油田的替代能源。英国政府于2007年发布了将在2020年前达到3300万kw海上风力发电规模的开发计划(事业规模约13万亿日元)。准备在2020年前建造超过7000座海上风车,以满足该国三分之一的用电量需求。

今年7月4日,位于距离英国东南部海域约20km处的伦敦阵列(London Array)海上风力发电站(固定式)开始运转。总装机容量为63万kw,相当于一座核反应堆的装机容量。这是目前正在运转的全球最大海上风力发电站,将为50万户英国家庭供应电力。

德国西门子公司为该项目提供了175台(每台装机容量3600kw,叶片长60m,直径120m)风力发电机和系统连接设备,并将与丹麦的综合能源巨头Dong Energy公司一同为发电站提供长期维护服务。三菱商事与英国基础设施投资公司将共同负责其输电事业运营工作。

突破死亡之谷的动力来自“福岛复兴”

“福岛县海域浮体式海上风电场实证实验事业”是一个国家级项目,它不光是要将福岛打造为“可再生能源先驱之地”的象征,而且还意图将领先世界的浮体式海上风力发电技术投入实际应用。

受经济产业省委托,丸红、东京大学、三菱商事、三菱重工、日本海洋联合公司(Japan Marine United)、三井造船、新日铁住金、日立制作所、古河电气工业、清水建设、瑞穗情报总研等11家公司组成专业联合团体,正致力于推进该事业。工程分为第一期(2011-13年度)和第二期(2014-15年度),工程费用共计188亿日元,已支出125亿日元。

如今,以作为企业整合者的丸红为首,风车、浮体结构、电线、钢材等行业的一线企业组成了拥有最尖端技术的专业联合团体,而在10年前,这还是一个缺乏现实可行性的项目。

东京大学石原孟教授(研究生院工学系研究科社会基础学专业)

作为该项目的发起人和联合团体技术顾问,东京大学石原孟教授介绍称:“最大的难题在于如何说服企业。我曾多次向表示‘办不到’的企业叩头恳求。说服日本政府下拨资金也是费尽了周折。尽管3.11后大家的反应有所改变,但如果是从那时才开始努力就已经迟了。”

同时,他感慨良深地表示:“目前,许多优秀技术即便被开发出来以后也难以迈入实证实验阶段。开展实证实验既费钱又费时,所以好的创意常常无果而终。尽管只有穿越这个死亡之谷才能为社会做出贡献,产生经济效益,但我们总是不能走到那一步。此次能突破死亡之谷具有重大意义。”

石原教授强调:“促成此次突破的动力来自实现福岛复兴的愿望。我们希望创造出堪与核能产业比肩的可再生能源产业。如果最终不能创造出数千人的就业机会,则根本谈不上福岛的复兴。”

相关产业基础广泛,有望成为出口产业

日本政府之所以在今年6月14日提出“力争在2018年前后实现浮体式海上风力发电商业化应用”(“日本复兴战略”内阁会议决定)方针,也是因为风力发电机像汽车和家电一样,除了相关产业基础广泛外,拥有相关技术的优秀企业也很多,蕴藏着未来成长为前景无量的出口产业的可能性。

一台风力发电机共有1万到2万个零部件,与汽车和家电大致相当。如果风力发电事业发展起来,零部件和建材需求也将增长。由于这些零部件与飞行器、汽车、船舶上使用的零部件具有高度通用性,所以对于现有相关行业来说,风力发电也将是一个具有吸引力的市场。

佐藤雄平知事(左)和赤羽一嘉经产省副大臣按下启动键(磐城市小名滨iwaki lalamew)

福岛县正致力于在小名滨港(磐城市)的广大地区和向北延伸的滨通等地方形成大型产业集群,创造就业机会。有关方面对其寄予厚望,表示“虽然风力相关产业尚未获得实际发展,但实证研究事业结束后,只要确定事业化(商业化)发展路线,就能带动其他相关产业”(县商工劳动部产业创造课)。

福岛县知事佐藤雄平也在启动仪式上表达了期待之情,他说:“受到核电站事故的影响,福岛县的整体形势十分严峻。尽管我们力图恢复到3.11以前的状态,但产业复兴工作还不尽如人意。我们希望把滨通打造成风力发电的圣地。”

成败关键在于能否与渔业共存

实证研究的主要目的在于攻克技术性难题,比如开发气象与海象观测技术、确立浮体摇晃预测技术、确立浮体式海上风力发电与变电技术、开发高性能钢材等,但莫如说更为重要的是,如何在周边海域航行安全性,以及针对噪音、景观、电波障碍、渔业生物等各方面的环境影响评估等问题上达成社会共识。

尤其是能否得到渔民的理解被视为此项目成败的关键。因为使用拖网捕鱼时,渔网可能会勾住海底架设的系留索和输电缆线。

然而,如今已开发出了避免渔网勾连的感应技术。实证实验结束后,锚也将被撤走。我们还使用特殊机械将海底泥沙液化,把海底电缆敷设在了泥沙以下1米左右的地方。

“尽管现有技术完全可以解决上述所有问题,但仍必须向渔民展示‘可行性’。因此我们决定实际操作给大家看。我们已达成了共识,在未来两年内一边开展渔业活动一边确认这一方案。”(石原教授)针对海上风力发电能否与渔民共存共荣这一问题开展的实证实验具有重要意义。

福岛县渔业协会联合会野﨑哲会长致辞

福岛县渔业协会联合会的野﨑哲会长对此表示支持,称“本县的渔业活动尚处在试验性作业状态。我期待着海上风力发电能够成为促进渔业复兴的重要支柱”。可是,这并不表示渔民已经不再抵触。就现阶段而言,充其量也只能是期待“明年追加建设两座风车,如果再有第三座风车漂浮在海面上,形势肯定会有所变化”(该事业相关人士)。要达成社会共识确实非常困难。这或许就是实证研究的最大课题。

采访、撰文:长泽孝昭(Nippon Communications Foundation 高级编辑、媒体人)

标题图片:浮体式海上变电站“福岛纽带”(福岛海上风力联合体提供)

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