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风能是最成熟、最具市场竞争力的可再生能源之一，大力开发风能资源是建设零碳世界、实现全球可持续发展的可靠路径之一。
在陆上风能开发日益受限的背景下，海上风能的潜力正受到重视。
目前在全世界范围内普及的是固定在海底的着床式风电机组，其适合浅水海滩，很难应用于水深超过50米的海域。但研究显示，全球大部分风能资源位于水深超过60米的海域。深远海区域面积大、风力好，水深50米以上的风能密度约为近海区域的2-4倍。
随着近海风能资源开发将趋于饱和，海上风电走向深远海已是大势所趋，而水深超过60米的海域适合采用漂浮式海上风电开发模式。
与此同时，漂浮式海上风电场具有巨大的能源潜力。美国能源部长格兰霍姆去年就曾表示，漂浮涡轮机未来有望产生高达28亿千瓦的清洁能源，是美国目前电力需求的两倍多。国家发展改革委能源研究所此前发布的《中国风电发展路线图2050》也指出，我国近海水深5至50米范围内，风能资源技术开发量为5亿千瓦，而我国深远海风能可开发量则是近海的3至4倍以上。
随着全球漂浮式海上风电市场日益火热，海上风机的机型样式也不断推陈出新。EnerOcean、EnBW、Hexicon 等多个国外开发商对单基础平台搭载多台风机的路线探索已久，X1 Wind、Eolink、T-Omega Wind 则先后研发出无塔筒风机。此外，在叶片结构方面，单叶片、双叶片等非传统机型正逐步进入模拟测试或样机建设阶段，以期在成本、寿命、可靠性、易制造性、易安装性和易维护性之间找到最佳平衡点。
图说：单叶片涡轮机
来源：TouchWind
01
漂浮式风电加速发展
2009年，挪威国家石油（Statoil公司，2018年更名为Equinor）开发了世界上第一个全尺寸漂浮式机组的样机项目——Hywind Demo。项目采用立柱式基础，离岸距离10km，机位和作业水深达200m，基础重量约3200 吨，单机功率2.3MW，成为了漂浮式海上风电行业的重要里程碑。
图说：全球漂浮式海风项目整理（已投运项目）
来源：CWEA，Carbon Trust，华创证券
此后，葡萄牙、日本、英国、法国、西班牙等国家也纷纷推出漂浮式样机。近期漂浮式样机的推出速度明显加快，漂浮式海风已经历从单台样机到小型商业化示范风电场的过程，商业化进程显著加快。根据GWEC的统计，2022 年全球新增约66MW漂浮式风电项目并网运行，包括挪威60MW项目和中国海装“扶摇号”6.2MW机型。
图说：全球漂浮式海风项目整理（在建项目）
来源：CWEA，Carbon Trust，华创证券
截至2022年，漂浮式海风已投运项目20个，规模为245.4MW，占海风累计装机量比值仅为0.4%；在建项目12个，规模为387.4MW。已投运项目中，位于英国、葡萄牙、挪威共 200MW 项目实现了商业化的突破。在建项目中，法国的 Province Grand Large、Groix&Bella-le 等4个项目、美国的 Aqua Ventus I、日本的 Goto City 及中国的中电建海南万宁百万千瓦级漂浮式海上风电项目（一期）为商业化项目，规模达355.7MW，且均在 2023-2025年间投产，商业化进程显著加快。
目前有许多国家竞相研发和规划部署漂浮式海上风电。欧洲在漂浮式海风领域走在前列，苏格兰出台了全球规模最大的漂浮式风电开发计划，准备在约8000平方公里的海域开发装机容量达2800万千瓦的海上风电，其中约六成为漂浮式风电机组。挪威则计划在2030年前建造更多漂浮式海上风电场。除欧洲外，美国、韩国的漂浮式风电规划也较为可观，韩国计划2030年前投产6GW漂浮式海上风电，美国则宣布了一项到2035年安装15GW漂浮式风电的计划。
我国也在《“十四五”可再生能源发展规划》 提出力争“十四五”期间开工建设我国首个漂浮式商业化海上风电项目。国家能源局新能源和可再生能源司副司长王大鹏10月16日在2023北京国际风能大会暨展览会（CWP 2023）上表示，“十四五”是我国海上风电产业夯实发展基础的关键时期，下一步国家能源局将结合“十四五”可再生能源发展规划确定的重点任务，加大政策供给，完善体制机制，尽快出台深远海海上风电开发建设相关政策，积极推动近海海上风电规模化发展，组织开展深远海海上风电示范，通过支持技术和模式创新推动海上风电持续降本增效，不断提高经济性。
02
成本仍为制约因素
虽然漂浮式风电发展前景广阔，但仍面临着成本挑战。整体来看，高成本是当前制约漂浮式海上风电大规模商业化发展的主要因素，未来降本情况将是影响行业发展的关键。DNV的海上风电部门主管Magnus Ebbesen也认为，漂浮式风电的商业吸引力将取决于成本的降低和各个市场的不同价格。
根据 BNEF研究数据，全球漂浮式海风项目成本明显下降，由 2008 年首个项目建成时接近30万元/kW 降至2019年40511元/kW 的造价，但目前单位成本较低的WindFloatAtlantic 2、Tetraspar Demonstration仍有 3.5/3.7万元/kW，约为固定式海风的4倍。中国电建海风公司数据则显示，目前国际漂浮式风电项目建设成本在50元/W左右，中国的样机项目建设成本在38-40元/W之间。
图说：全漂浮式海上风电降低 LCOE 的可能途径
来源：《FLOATING WIND: TURNING AMBITION INTO ACTION》，长城证券产业金融研究院
Carbon Trust 预测，漂浮式风场降本总空间达52%，其中平台基础、风机降本空间最大，分别为16%、12%。Equinor 认为，漂浮式风电场单体规模的增大是降本的关键。与此同时，单机容量提升对于漂浮式项目降本效果明显，根据Principle Power 披露数据，2011年投运的WindFloat 1样机的单机容量2MW，2021年投运的Kincardine 项目单机容量9.5MW，虽然后者单机容量是前者的近5倍，但漂浮式基础的重量不到前者的2倍。
03
单叶片风机、双叶片风机或成漂浮式风电未来趋势？
价格压力是技术创新的驱动力，技术进步也成为了推动漂浮式海上风电发展取得跃升的关键因素。因此，技术创新驱动下的风机样式推陈出获得了诸多关注。其中，荷兰风电技术开发商TouchWind推出的单叶片浮式海上风机可以降低成本和缩短停机时间。Seawind公司则在过去数年推出了多款双叶片风机机型，目前已分别在欧洲陆上和海上开启了现场试验。
有别于传统像电风扇的三叶片风机，TouchWind公司研发的一体式单叶片浮式海上风机只有一片一体式转子叶片，看起来就像滑翔翼，中央垂挂一个筒状物，风机底部则是一个巨大的浮标。
图说：风速增加时单叶片能够直立起来开始旋转发电
来源：TouchWind
按照该风机设计，叶片以轻微向上的角度安装在风机支架上，在风速较低时，风机会因为垂吊的筒状物向旁边倾斜，通过浮标为其保持平衡；随着风速加大，叶片会快速旋转，就像直升机的旋翼一样产生推力将风机拉正，浮标可用作压舱物确保叶片不被大风吹走。与其他浮动式风机设计一样，该风机不需要考量风向，被动地漂浮可以让风机自己找到最佳的风向。
TouchWind公司公布的运行数据显示，目前，市场上主流的风电机组通常有3片叶片，风机零部件组成相对复杂，出现故障的概率相对更高，并且在风速超过25米/秒后就可能停止运行，而这款单叶片风机为一体式设计，安装简洁方便，还能自动调整自身位置，可适应的最高风速能够达到70米/秒以上，尤其适合深海海上风电开发。同时，更少的停机时间就代表，更长的运作时间、可带来更多发电量。
图说：更简单的设计可以实现更大的扫风
来源：Touchwind
除了具备潜在的发电优势，Touchwind公司创始人兼首席执行官莱克斯·科力普还表示，与传统风机相比，由于叶片以及零部件用量更少，且不需要任何昂贵的主动叶片变桨控制系统，同等条件下单叶片风机成本可降低30%左右。Touchwind同时表示，这项设计可以满足12 MW 风机所需的200米长叶片，且能在港口制造并直接拖到现场。
自2019年以来，TouchWind 在荷兰政府和支持公司的资助下一直在进行测试，以展示其风力涡轮机技术的原理。2023年7月，TouchWind获得了荷兰企业局的拨款，用于制造多达10台转子直径为6m（输出功率12kW）的风力涡轮机。近日，TouchWind公司宣布，获得日本三井株式会社投资，双方将进一步加强新型浮式海上风电技术研发合作，目前已经完成了小规模的陆基和浮动平台原型，并开始扩大测试。
除了单叶片风机，双叶片风机也取得了技术突破。欧洲风机研发企业Seawind公司便是其中的代表，其在过去数年推出了多款双叶片风机机型，目前已分别在欧洲陆上和海上开启了现场试验。
图说：Seawind双叶片转子风机
来源：Seawind
Seawind 的设计灵感来自直升机技术，采用独特的双叶片转子，具有摇摆铰链和偏航控制功能。偏航控制可以使风力涡轮机在不需要叶片俯仰的情况下处理风向和风速。这种设计可实现较低的扭矩和较轻的传动系统，以获得较高的转速，从而降低疲劳度，延长使用寿命。该设计施工更简单，成本更低，同时输出功率更高，Seawind 宣称这使其有能力超越所有现有的三叶片风力涡轮机设计。
图说：Seawind双叶片转子风机结构图
来源：Seawind
Seawind 开发的双叶片浮动风力涡轮机，集成了独特的混凝土浮动结构，适合安装在所有海洋，包括深海（约200英尺）、超深海（最深近10,000 英尺）以及气旋区域。更重要的是，涡轮机的使用寿命长达50 年，而且在这些恶劣条件下几乎无需维护。涡轮机在港口使用陆基起重机组装，无需安装船只。
Seawind 的最新型号双叶片设备名为6-126 涡轮机，采用了获得专利的摇摆铰链技术，将轴与转子分离，保护涡轮机免受潜在有害条件的影响。涡轮机还具有主动偏航控制功能，可实现更高的转速。Seawind 已开始在意大利港口区建立新的涡轮机生产和组装设施的许可步骤，第一个新设计的半潜式浮动平台最早将于2024年第四季度部署和调试。该公司表示，其较小的6.4兆瓦设计最早将于今年推向市场，12.2兆瓦的设计预计将于 2024年推向市场。
漂浮式海上风电是海风行业的下一个增长驱动力，但目前面临着造价成本高、平准化度电成本（LCOE）高等挑战。技术进步将成为推动漂浮式海上风电降本和发展的关键，TouchWind和Seawind创新的叶片结构有望成为漂浮式海上风电的新思路，助力漂浮式海上风电的腾飞。
