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摘要
現(xiàn)階段對(duì)海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性評(píng)估研究較少，而海上風(fēng)電亟需經(jīng)濟(jì)性評(píng)估作為其大面積應(yīng)用的基礎(chǔ)。立足海上風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，首先，梳理了海上風(fēng)電場(chǎng)的組成及發(fā)展，分析目前海上風(fēng)電的3類6種發(fā)展模式；接著，將海上風(fēng)電項(xiàng)目全生命周期分為初始投資、運(yùn)營(yíng)維護(hù)及退役回收3個(gè)階段，分析各階段的成本并搭建其數(shù)學(xué)模型；然后，引入凈現(xiàn)值等6個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)了一個(gè)海上風(fēng)電案例；最后，歸納海上風(fēng)電當(dāng)前發(fā)展及研究的不足，指明未來(lái)的研究方向，為海上風(fēng)電更經(jīng)濟(jì)化的發(fā)展提供支撐和參考。
1 海上風(fēng)電概況
海上風(fēng)電在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，裝機(jī)容量持續(xù)攀升。圖1展示了2015—2022年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)及中國(guó)新增裝機(jī)占比情況。中國(guó)近年來(lái)新增裝機(jī)占比超過(guò)50%，已成為世界海上風(fēng)電規(guī)模最大的國(guó)家。
圖1 海上風(fēng)電年新增裝機(jī)總量與中國(guó)所占比重
Fig.1 Total annual installed capacity of OWP and its proportion in China
海上風(fēng)電場(chǎng)主要由風(fēng)電機(jī)組、輸電系統(tǒng)和儲(chǔ)能設(shè)備構(gòu)成。風(fēng)電機(jī)組通過(guò)風(fēng)能產(chǎn)生電能，并將電能通過(guò)輸電系統(tǒng)傳輸給負(fù)荷。隨著市場(chǎng)對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)的需求，儲(chǔ)能等新設(shè)備也逐漸引入風(fēng)電場(chǎng)。
1.1 海上風(fēng)電機(jī)組
單個(gè)海上風(fēng)機(jī)包括葉片、風(fēng)機(jī)、塔筒和基礎(chǔ)。風(fēng)機(jī)通過(guò)葉片將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。
隨著風(fēng)機(jī)發(fā)電功率的增長(zhǎng)，葉片的大小及材料性能要求也在逐漸升高。為減輕風(fēng)能損耗，輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)的復(fù)合材料是當(dāng)今葉片材料的首選。塔筒為風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，一般由空心管狀鋼材制成，其設(shè)計(jì)主要考慮風(fēng)況、水況和葉片的長(zhǎng)度。基礎(chǔ)用以固定風(fēng)機(jī)，其選材視風(fēng)機(jī)所在環(huán)境而定。
自1991年世界首個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)誕生，不斷發(fā)展的風(fēng)機(jī)呈現(xiàn)葉片持續(xù)變長(zhǎng)、風(fēng)機(jī)尺寸日益增大且單機(jī)容量不斷增加的趨勢(shì)（見(jiàn)圖2）。2023年1月中國(guó)研發(fā)了單機(jī)容量18 MW、葉片長(zhǎng)140 m的海上風(fēng)機(jī)。
圖2 自1991年風(fēng)機(jī)尺寸/容量的變化及展望
Fig.2 Changes & vista of fan size/capacity since 1991
海上風(fēng)電的快速發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化密不可分。早期海上風(fēng)電的發(fā)展很大程度依賴政府補(bǔ)貼，隨著補(bǔ)貼力度減小，風(fēng)機(jī)容量和尺寸大型化成為促進(jìn)海上風(fēng)電降本增效的根本動(dòng)力。文獻(xiàn)[21]探究得出海上風(fēng)機(jī)的容量增加、體積變大促使成本降低的結(jié)論。文獻(xiàn)[22]計(jì)算了容量分別為70 kW、450 kW和1.5 MW的風(fēng)機(jī)發(fā)電成本、經(jīng)營(yíng)成本和保險(xiǎn)費(fèi)用，得出1.5 MW風(fēng)機(jī)的上述3種成本分別僅占70 kW風(fēng)機(jī)的1/2，1/3和不到1/3。同樣容量的風(fēng)機(jī)為捕獲更多的風(fēng)能，可使用更大的葉片。以單機(jī)3 MW、葉片長(zhǎng)55 m的風(fēng)機(jī)為例，若葉片加長(zhǎng)5 m，則掃風(fēng)面積可增加0.81 m2/kW，年利用小時(shí)數(shù)增加208 h。可見(jiàn)，容量及葉片的大型化能有效降低風(fēng)機(jī)成本，提高海上風(fēng)電的收益。
風(fēng)機(jī)的高速發(fā)展同樣也促進(jìn)了技術(shù)的革新。鼠籠異步式風(fēng)機(jī)是最早期廣泛應(yīng)用的高轉(zhuǎn)速、小尺寸風(fēng)機(jī)，但由于其缺乏無(wú)功調(diào)節(jié)能力、難以應(yīng)對(duì)故障后的電壓恢復(fù)而被性能更優(yōu)的雙饋風(fēng)機(jī)取代。容量5 MW以下雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性好、技術(shù)成熟、造價(jià)低，但在高速運(yùn)行時(shí)其傳動(dòng)齒輪箱易出現(xiàn)過(guò)載問(wèn)題。直驅(qū)式風(fēng)機(jī)較好地解決了過(guò)載問(wèn)題，具有很強(qiáng)的低電壓穿越能力，故障率低，但難以消除大型化發(fā)展中重量陡增、運(yùn)輸不便等問(wèn)題，且對(duì)稀土永磁材料依賴性強(qiáng)，造價(jià)居高不下。隨著研究的深入，無(wú)齒輪增速的半直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)兼顧了雙饋與直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，規(guī)避了二者在發(fā)展中的缺點(diǎn)，受到廣泛重視，但技術(shù)尚不如雙饋和直驅(qū)式成熟。現(xiàn)有海上風(fēng)機(jī)主要以雙饋和直驅(qū)式為主，而半直驅(qū)式風(fēng)機(jī)已有取代雙饋風(fēng)機(jī)的趨勢(shì)。2022年歐洲新增海上風(fēng)機(jī)全部為直驅(qū)式與半直驅(qū)式。
1.2 海上風(fēng)電輸電系統(tǒng)
海上風(fēng)電并網(wǎng)輸電系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 海上風(fēng)電3種并網(wǎng)輸電技術(shù)拓?fù)?
Fig.3 Topology of 3 grid-connected transmission technologies for OWP
1）高壓交流輸電（high voltage alternating current，HVAC）。HVAC電能輸送方式簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟。但電壓等級(jí)的升高會(huì)加大海底電纜的電流，進(jìn)而導(dǎo)致電纜電容和功率的變化，使損耗劇增。故HVAC的傳輸距離較短，一般適用于400 MW以內(nèi)、離岸70 km內(nèi)的海上風(fēng)電場(chǎng)。通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償可延長(zhǎng)傳輸距離，但受電纜載荷量的約束，補(bǔ)償效果有限。目前HVAC依舊為近海輸電的主要方法。
2）高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）。HVDC通過(guò)換流站將海上風(fēng)電輸出的交流電轉(zhuǎn)換成直流，經(jīng)海底電纜傳輸?shù)疥懙卦倌孀優(yōu)榻涣鳌VDC規(guī)避了電纜電容的影響，在遠(yuǎn)距離、大容量海上風(fēng)電輸送中起到重要作用。然而，HVDC需要在海上建設(shè)造價(jià)昂貴的換流站，建造和運(yùn)維都較為困難，且多步換流必將導(dǎo)致?lián)p耗的增加。目前該技術(shù)在世界各國(guó)的深遠(yuǎn)海項(xiàng)目中有較多應(yīng)用。
3）分頻輸電（fractional frequency transmission system，F(xiàn)FTS）。FFTS通過(guò)降低輸電頻率（如50/3 Hz）顯著提升交流輸電的容量與性能，降低傳輸損耗，大大延長(zhǎng)了電能的傳輸距離，且不需要建設(shè)海上換流站，建設(shè)維護(hù)成本介于HVDC與HVAC之間，適用于離岸70 km以上的海上風(fēng)電場(chǎng)。
表1對(duì)比了3種輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差異。
表1 海上風(fēng)電3種并網(wǎng)輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比
Table 1 Comparison of 3 grid-connected transmission technologies and economies for OWP
1.3 儲(chǔ)能及其他設(shè)備
間歇性風(fēng)能導(dǎo)致電能供需不匹配是海上風(fēng)電的發(fā)展瓶頸。儲(chǔ)能技術(shù)使風(fēng)電的靈活性大增，其削峰填谷的能力也有所加強(qiáng)。因海洋位置的特殊性，常見(jiàn)儲(chǔ)能技術(shù)中的機(jī)械儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能被認(rèn)為具備海上發(fā)展條件，且具有少量試點(diǎn)。
機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水蓄能和水下壓縮空氣儲(chǔ)能等。抽水蓄能利用風(fēng)電抽水儲(chǔ)存水的位能，目前最為經(jīng)濟(jì)、成熟，但約70%的抽蓄效率比其他儲(chǔ)能略低；水下壓縮空氣儲(chǔ)能利用水壓和風(fēng)電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣并存儲(chǔ)內(nèi)能，效率和安全性都很高，僅憑借海底靜壓就可將壓縮氣體長(zhǎng)時(shí)間保存，是多數(shù)海上風(fēng)電儲(chǔ)能試點(diǎn)的選擇之一。
電化學(xué)儲(chǔ)能一般指電池儲(chǔ)能，常見(jiàn)的有鉛酸、鋰離子、磷酸鐵鋰電池等。鉛酸電池使用最早，現(xiàn)已被能量密度為其3~4倍的鋰離子電池取代。鋰離子電池在小型儲(chǔ)能中應(yīng)用廣泛，但其經(jīng)濟(jì)性在大型儲(chǔ)能中表現(xiàn)不佳。磷酸鐵鋰電池具有“寬溫域、高安全、長(zhǎng)壽命、低成本”的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)90%，被業(yè)界廣泛使用，最具發(fā)展前景。
雖然大規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)目前尚不成熟，設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性有待考證，但其對(duì)海上風(fēng)電整體項(xiàng)目的調(diào)節(jié)與緩沖有較強(qiáng)的正面作用，這也是諸多風(fēng)電場(chǎng)逐步引入儲(chǔ)能設(shè)備的原因之一。
除儲(chǔ)能外，海上風(fēng)電場(chǎng)還可能有制氫、淡化海水等其他設(shè)備。但上述設(shè)備并非風(fēng)電場(chǎng)的必要設(shè)備，且鮮見(jiàn)于現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)，屬附加設(shè)備。
2 海上風(fēng)電發(fā)展模式
海上風(fēng)電的發(fā)展，按不同原則可將其分為近海與遠(yuǎn)海、淺海與深海、單一和綜合的3類6種發(fā)展模式。
2.1 近海模式與遠(yuǎn)海模式
海上風(fēng)電按離岸距離是否大于50 km分為遠(yuǎn)海模式和近海模式。這2種模式主要區(qū)別于風(fēng)能資源、機(jī)組的建造維護(hù)難度以及電能傳輸。
早期海上風(fēng)電較多地借鑒陸地風(fēng)電的經(jīng)驗(yàn)，選址于建設(shè)相對(duì)容易且風(fēng)資源豐富的近海。由于靠近陸地負(fù)荷，電能傳輸距離也短，HVAC技術(shù)也隨早期海上風(fēng)電項(xiàng)目逐漸成熟。
隨著近海風(fēng)電資源趨近于飽和，越來(lái)越多的國(guó)家將目光投向面積更廣、風(fēng)資源更豐富的遠(yuǎn)海，如英國(guó)離岸131~290 km的Dogger Bank、中國(guó)離岸100 km以上的“海油觀瀾號(hào)”風(fēng)電平臺(tái)。遠(yuǎn)海環(huán)境更加穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)化發(fā)展有利，遠(yuǎn)?？梢匝娱L(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行壽命。但遠(yuǎn)海也意味著建設(shè)、運(yùn)維困難，電能傳輸需選擇造價(jià)昂貴的HVDC技術(shù)。
2.2 淺海模式與深海模式
海上風(fēng)電根據(jù)海底的深度是否大于50 m劃分為淺海模式和深海模式。目前大約80%的項(xiàng)目集中在淺海。深海與淺海風(fēng)機(jī)的主要區(qū)別在于機(jī)組基礎(chǔ)，分為漂浮式和固定式2類，如圖4所示。
圖4 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及適用水深
Fig.4 Foundations of offshore wind turbine and their suitable water depth
2.2.1 淺海模式與固定式風(fēng)機(jī)
淺海區(qū)往往同時(shí)是近海區(qū)，發(fā)展與近海模式大致相同。較為簡(jiǎn)單的施工條件和較低的經(jīng)濟(jì)成本是風(fēng)電項(xiàng)目多選擇淺海的主要原因。
淺海區(qū)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)主要采用固定式，如圖4所示。單樁式使用混凝土管道或鋼管固定機(jī)組，重力式利用底部大而沉的裝置重力鉚定自身。這2種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，多見(jiàn)于水深25 m內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)，如Arklow Bank（愛(ài)爾蘭）和Vindeby（丹麥）。陸地風(fēng)電也多有采用這2種基礎(chǔ)，但海上風(fēng)電有沉下水面部分，塔筒較海上風(fēng)機(jī)短。
為克服上述基礎(chǔ)隨海洋深度增加出現(xiàn)的穩(wěn)定性問(wèn)題，通常以輔助結(jié)構(gòu)加強(qiáng)支撐：三腳架式利用輕質(zhì)三角鋼架固定風(fēng)機(jī)；管架式采用細(xì)長(zhǎng)的管狀鋼構(gòu)成桁架塔，底部用3~4個(gè)樁固定；三樁式則利用從基礎(chǔ)延伸到水面以上的三腳鋼框架連接并支撐塔筒。對(duì)比而言，三腳架式和管架式都加強(qiáng)了整體的穩(wěn)定性，目前在水深20~50 m的項(xiàng)目有較多使用，分別如Alpha Ventus （德國(guó)）和Ormonde （英國(guó)），管架式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)但也更復(fù)雜；三樁式穩(wěn)定性雖然稍差，但能適應(yīng)更深的海洋，目前僅有德國(guó)在水深30~50 m的Bard 1風(fēng)電場(chǎng)使用。
2.2.2 深海模式與漂浮式風(fēng)機(jī)
深海風(fēng)資源異常豐富，全球超80%的風(fēng)資源都在水深大于40 m的區(qū)域，但深海壓強(qiáng)與暗流等問(wèn)題較淺海嚴(yán)重，采用固定式基礎(chǔ)的成本將異常高昂。為此，深海區(qū)主要采用如圖4所示的漂浮式基礎(chǔ)。半潛式用懸鏈線固定為風(fēng)機(jī)提供支撐的漂浮三角形或矩形平臺(tái)；張力腿式通過(guò)張力桿固定在水面之下的浮動(dòng)平臺(tái)；浮筒式利用封閉的長(zhǎng)鋼桶使風(fēng)機(jī)漂浮，底部用懸鏈線固定。3種結(jié)構(gòu)采用不同的方法使風(fēng)機(jī)漂浮于海面上，并通過(guò)懸鏈線或張力桿實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)位置的固定，分別在葡萄牙、意大利南部Blue H、挪威Hywind風(fēng)機(jī)有應(yīng)用實(shí)例。
基于上述分類，4種發(fā)展模式與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和輸電技術(shù)的關(guān)系如圖5所示（矩形落在2種模式構(gòu)成的象限內(nèi)表示該技術(shù)/基礎(chǔ)適用于該模式）。
圖5 海上風(fēng)電發(fā)展模式與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)/輸電技術(shù)的關(guān)系
Fig.5 Relationship between OWP development models and wind turbine foundations/transmission technologies
2.3 單一模式與綜合模式
目前海上風(fēng)電有單一發(fā)展和綜合發(fā)展2種模式。單一模式僅有風(fēng)機(jī)發(fā)電；綜合模式是風(fēng)電場(chǎng)與其他產(chǎn)業(yè)結(jié)合，如養(yǎng)殖、制氫等。
2.3.1 單一模式
海上風(fēng)電長(zhǎng)期以來(lái)都是以單一模式發(fā)展。該模式依靠運(yùn)營(yíng)發(fā)電獲取收入，同時(shí)享受政府的長(zhǎng)期補(bǔ)貼。隨著風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)的政策導(dǎo)向和補(bǔ)貼力度的減小，單一模式產(chǎn)生的收益在全生命周期內(nèi)可能無(wú)法回收所有成本；項(xiàng)目所在海域并無(wú)其他收入，這對(duì)廣闊的海洋會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)。
2.3.2 綜合模式
1）與海洋牧場(chǎng)結(jié)合。
一般10 MW風(fēng)機(jī)葉片直徑可達(dá)204 m，海上風(fēng)機(jī)的安全距離至少為扇葉直徑的3~4倍，廣闊的風(fēng)電場(chǎng)蘊(yùn)含著大量的海洋資源。為提升風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)收益，海上風(fēng)電場(chǎng)與海洋牧場(chǎng)結(jié)合養(yǎng)殖的有魚類、貝類和藻類3種。
海上風(fēng)電場(chǎng)養(yǎng)殖魚、貝類可行并已有先例。文獻(xiàn)[49]研究得出大部分魚類僅在風(fēng)速12 m/s時(shí)距風(fēng)機(jī)10 m的范圍內(nèi)會(huì)受到影響，但不會(huì)導(dǎo)致死亡率和健康程度的改變。文獻(xiàn)[50]通過(guò)驅(qū)動(dòng)自養(yǎng)生產(chǎn)指數(shù)等因素方法，研究并確定了丹麥海上風(fēng)電場(chǎng)與貝類養(yǎng)殖的最佳水域，并通過(guò)試點(diǎn)養(yǎng)殖使項(xiàng)目產(chǎn)生正向收益。英國(guó)North Hoyle、德國(guó)Meer-wind海上風(fēng)電場(chǎng)等聯(lián)合大型漁業(yè)公司發(fā)起多個(gè)項(xiàng)目試驗(yàn)，為海洋牧場(chǎng)的推廣積累了經(jīng)驗(yàn)。
投放人工造礁不僅能提供良好的藻類食物來(lái)源，還是修復(fù)海底生態(tài)、塑造海洋生物多樣性和增加風(fēng)電項(xiàng)目額外創(chuàng)收的重要方法。藻類的投放會(huì)增加聯(lián)合管理的成本和難度，文獻(xiàn)[52]針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)養(yǎng)殖海藻所面臨的風(fēng)險(xiǎn)提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，對(duì)便捷化管理、經(jīng)濟(jì)營(yíng)收提供重要理論和依據(jù)。
由于缺乏聯(lián)合運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)鮮有海洋牧場(chǎng)案例。但這種發(fā)展模式將對(duì)養(yǎng)殖創(chuàng)收、提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性提供極大幫助，是未來(lái)的發(fā)展方向之一。
2）與制氫結(jié)合。
氫能是未來(lái)的清潔能源，在燃料、交通和化工領(lǐng)域有廣泛用途。但海上風(fēng)電的飛速發(fā)展所帶來(lái)的消納困難、棄風(fēng)限電等問(wèn)題嚴(yán)重制約了自身的健康運(yùn)行，而海洋充足的水資源蘊(yùn)含著大量氫能源，恰好為海上風(fēng)電制氫提供了保障。
海上風(fēng)電制氫模式有利于提升項(xiàng)目總體經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[54]通過(guò)與單一模式的場(chǎng)景對(duì)比得出，海上風(fēng)電制氫自2023年（2020年投產(chǎn)）起將呈現(xiàn)不斷增加的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[55]使用成本現(xiàn)值和投資回收期評(píng)估2030年愛(ài)爾蘭東部海上風(fēng)電制氫的預(yù)期經(jīng)濟(jì)性，得出當(dāng)年可實(shí)現(xiàn)綜合發(fā)展雙盈利的結(jié)論。
目前風(fēng)電與制氫綜合發(fā)展的有并網(wǎng)與非并網(wǎng)兩大類。按照電解槽所在位置又可細(xì)化為如圖6所示的5種發(fā)展模式。
圖6 海上風(fēng)電制氫的5種發(fā)展模式
Fig.6 Five development models of hydrogen production from OWP
2種并網(wǎng)制氫模式皆利用風(fēng)電的余電制氫。前者目前技術(shù)最為成熟，電解槽直接與電網(wǎng)相連，可利用風(fēng)電或電網(wǎng)余電制氫，距消費(fèi)終端近，H2運(yùn)輸成本低；但配套海底電纜的建造會(huì)使成本劇增，僅適合近海發(fā)展；后者提供了余氫燃燒向電網(wǎng)供電的選擇，可在電力負(fù)荷亟需用電時(shí)反向供電，但對(duì)海上平臺(tái)儲(chǔ)氫能力要求大，目前存在綠氫用戶尚未落實(shí)、能量轉(zhuǎn)化率低等問(wèn)題。
3種非并網(wǎng)制氫模式通過(guò)風(fēng)電與電解設(shè)備的直連，消除風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的100%利用。前2種模式直接通過(guò)海上/陸地平臺(tái)電解水并運(yùn)輸氫氣，在氫氣運(yùn)輸和電能傳輸成本互有長(zhǎng)短；后一種模式將電解槽集成到海上風(fēng)機(jī)的塔筒內(nèi)、機(jī)組底部或漂浮式基礎(chǔ)上，利用風(fēng)電直接制氫，節(jié)約了海上電解平臺(tái)建造成本，但也最具挑戰(zhàn)性，2021年西門子歌美颯、ITM Power專門啟動(dòng)該模式的可行性評(píng)估。非并網(wǎng)制氫模式目前多處于研究階段，但其本身不受并網(wǎng)條件約束，無(wú)需置辦并網(wǎng)設(shè)備，節(jié)約了大量成本，為風(fēng)電消納提供了新的有效途徑。
此外，海上風(fēng)電還有其他綜合模式，如海水淡化、利用風(fēng)電進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化的“Power to X”等；亦有將綜合模式再綜合的案例，如2022年8月陽(yáng)明集團(tuán)在廣東建設(shè)了中國(guó)首個(gè)“海上風(fēng)電+海洋牧場(chǎng)+風(fēng)電制氫”融合項(xiàng)目。但上述的其他綜合模式大多處于理論和少量實(shí)驗(yàn)階段，發(fā)展尚不完善。
相較于單一模式，綜合模式彌補(bǔ)了其經(jīng)濟(jì)上和空間利用上的缺陷，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。隨著技術(shù)的不斷成熟，綜合發(fā)展模式將在有限的空間內(nèi)進(jìn)一步降低海上風(fēng)電項(xiàng)目成本、創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)營(yíng)收。
3 基于LCC的海上風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)估
海上風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)評(píng)估建立在LCC和收益之上。LCC指項(xiàng)目新建開(kāi)始，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)包括設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等所有直接或間接費(fèi)用折現(xiàn)值總和；收益為上網(wǎng)電量與單價(jià)之積。本章介紹海上風(fēng)電項(xiàng)目LCC模型及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并評(píng)估中國(guó)粵西一個(gè)海上風(fēng)電實(shí)例。
3.1 海上風(fēng)電全生命周期與成本模型
海上風(fēng)電項(xiàng)目的平均壽命為20~30年。在其全生命周期按時(shí)間先后可概括分為前期的初始投資階段、投資建成后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及運(yùn)營(yíng)結(jié)束的退役回收階段，每階段細(xì)化為具體的投資項(xiàng)。對(duì)應(yīng)于海上風(fēng)電全生命周期的3個(gè)階段，項(xiàng)目的LCC可分為初始投資成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和退役回收成本，各成本構(gòu)成及占比如圖7所示。
圖7 海上風(fēng)電場(chǎng)LCC構(gòu)成
Fig.7 LCC composition of offshore wind farms
3.1.1 初始投資階段
海上風(fēng)電的初始投資階段主要包括項(xiàng)目規(guī)劃、招標(biāo)采購(gòu)、安裝調(diào)試，分別按照“組成→成本分析與建?！钡捻樞蛘归_(kāi)敘述。
1）項(xiàng)目規(guī)劃。
項(xiàng)目規(guī)劃是海上風(fēng)電項(xiàng)目的準(zhǔn)備階段，包括海上風(fēng)電場(chǎng)選址、風(fēng)資源調(diào)研與產(chǎn)能評(píng)估、可行性評(píng)估及項(xiàng)目審批。先根據(jù)調(diào)研結(jié)果，對(duì)比資金儲(chǔ)備和產(chǎn)能確定初步規(guī)劃。然后，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性的可行性調(diào)研與分析，最后著手項(xiàng)目審批及后續(xù)建設(shè)的準(zhǔn)備工作。
項(xiàng)目規(guī)劃成本取決于海上風(fēng)機(jī)的容量與項(xiàng)目規(guī)模，可用裝機(jī)容量的線性關(guān)系計(jì)算。此外，該環(huán)節(jié)所需的法律審批、應(yīng)急救援等資金也可用裝機(jī)容量的函數(shù)表示。同時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)場(chǎng)所在地區(qū)、政策要求等。項(xiàng)目規(guī)劃階段在LCC中占比不足1%，因此多數(shù)學(xué)者在研究時(shí)只做粗略估算。
2）招標(biāo)采購(gòu)。
項(xiàng)目通過(guò)公開(kāi)招標(biāo)、中標(biāo)確定最終的施工單位。根據(jù)規(guī)劃階段的調(diào)研結(jié)果，擬定建設(shè)所需的材料，按照項(xiàng)目需求采購(gòu)對(duì)應(yīng)類型和數(shù)量的風(fēng)機(jī)。
采購(gòu)是該部分的成本來(lái)源。海上風(fēng)電場(chǎng)輸電需要敷設(shè)海底電纜和建造海上平臺(tái)、換流站、變電站等，因此需要考慮建造換流站等電力設(shè)備以及監(jiān)控系統(tǒng)等成本；同時(shí)，當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)所在海域情況更復(fù)雜時(shí)，電纜及監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)成本會(huì)隨之增加。招標(biāo)采購(gòu)階段的總成本為上述成本。
風(fēng)機(jī)成本可用其設(shè)計(jì)功率的函數(shù)進(jìn)行估算。但該方法僅考慮輸出功率與成本的關(guān)系，忽略了其組成部件的成本分配。美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室提出一種風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件成本模型，文獻(xiàn)[61]在此基礎(chǔ)上考慮了風(fēng)機(jī)的詳細(xì)成本，提出進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)最佳額定功率和風(fēng)速匹配獲得最低成本的數(shù)學(xué)方法，但二者皆未考慮不同類型風(fēng)機(jī)與齒輪箱的成本構(gòu)成等問(wèn)題，模型尚存不足。
監(jiān)控系統(tǒng)的成本一般用風(fēng)電場(chǎng)的總?cè)萘?、功率和面積線性表示。海上平臺(tái)、換流站等電力設(shè)備成本分別與海上風(fēng)電場(chǎng)額定容量、主變壓器額定容量和電纜的額定電流、功率有關(guān)，使用生成函數(shù)并通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)即可推算出所需成本，計(jì)算簡(jiǎn)便，但未考慮地區(qū)差異可能對(duì)成本帶來(lái)的影響?；A(chǔ)架構(gòu)成本計(jì)算通式為
式中：A、B、C和D為查表可得的特定條件參數(shù)，僅計(jì)算電纜成本時(shí)C≠0；S為海上風(fēng)電場(chǎng)額定總?cè)萘浚籌n為電纜的額定電流。
3）安裝調(diào)試。
安裝調(diào)試階段主要進(jìn)行基礎(chǔ)施工、海底電纜敷設(shè)、風(fēng)機(jī)安裝、監(jiān)控系統(tǒng)接入、風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)和設(shè)備調(diào)試。風(fēng)電場(chǎng)施工受海邊天氣多變影響較大，工期一般較陸上風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)。為確保設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，施工結(jié)束后需進(jìn)行調(diào)試工作，最后再統(tǒng)一竣工驗(yàn)收。
安裝調(diào)試成本C3為
式中：C31~C35分別為材料運(yùn)輸成本、船只使用成本、項(xiàng)目施工成本、安裝成本和保險(xiǎn)成本。
C31~C34與風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模、離岸距離、總施工時(shí)間等有關(guān)，C35與投保費(fèi)率相關(guān)。文獻(xiàn)[65]分析了使用不同船舶（C32）對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)安裝調(diào)試成本影響。文獻(xiàn)[66]對(duì)安裝總時(shí)間進(jìn)行分類，根據(jù)分類時(shí)間和船只日費(fèi)用率提出C33和C34的模型。海上風(fēng)電場(chǎng)需考慮深遠(yuǎn)化發(fā)展，隨著水深和離岸距離增大，C31~C34都會(huì)相應(yīng)增大。對(duì)比固定式海上風(fēng)機(jī)，在深遠(yuǎn)海安裝浮式風(fēng)機(jī)可在降低施工難度的同時(shí)節(jié)約成本。
安裝調(diào)試費(fèi)受環(huán)境因素影響較大，但可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)布局、風(fēng)機(jī)型號(hào)及容量、施工運(yùn)輸、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算。相較于陸上風(fēng)電場(chǎng)，海上風(fēng)電場(chǎng)施工與安裝受影響因素較多，成本更大，占總投資30%以上，而陸上風(fēng)電場(chǎng)僅為10%左右。
綜上分析，用C1、C2分別表示項(xiàng)目規(guī)劃、招標(biāo)采購(gòu)成本，則初始投資階段成本Corigin為
3.1.2 運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段
運(yùn)營(yíng)維護(hù)指海上風(fēng)電場(chǎng)投入使用、管理與維護(hù)，是LCC的最主要來(lái)源。臺(tái)風(fēng)等海洋環(huán)境因素會(huì)影響機(jī)組的可靠性，一定程度上決定了該階段的成本和收益情況，因此該階段主要目標(biāo)是減少運(yùn)營(yíng)成本，增加可靠性以提高收入。通過(guò)尾流控制、故障智能診斷與維護(hù)等運(yùn)維技術(shù)可提升可靠性。隨著研究的深入與技術(shù)的改進(jìn)，近年來(lái)，海上風(fēng)電的運(yùn)維成本已下降45%。
運(yùn)維成本COM為
式中：C4為固定支出成本；C5為故障維修成本。
固定支出包含設(shè)備定期維護(hù)、風(fēng)電場(chǎng)租賃與管理和線路傳輸損耗。前二者是取決于項(xiàng)目運(yùn)維方案的常數(shù)，后者可由損耗率和輸電量確定。故障維修成本取決于設(shè)備故障率、年利用小時(shí)數(shù)、離岸距離和海域天氣，可用其函數(shù)進(jìn)行線性估算。
運(yùn)維總成本取決于風(fēng)電場(chǎng)所在位置、運(yùn)維策略和風(fēng)機(jī)類型，多不確定因素下的運(yùn)維成本受到業(yè)界廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[71]分析計(jì)及天氣可達(dá)性的Anylogic平臺(tái)運(yùn)維成本，側(cè)重天氣對(duì)運(yùn)維影響，提出包括停機(jī)時(shí)間、損失電量在內(nèi)的運(yùn)維成本計(jì)算，評(píng)述了運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)效益，但未給出后續(xù)的優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[72]綜合多種影響要素，量化了影響海上風(fēng)電運(yùn)維的多成本要素，細(xì)化了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的構(gòu)成，但缺少對(duì)全程運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等成本的考量，難以實(shí)現(xiàn)普適性。
海上風(fēng)電的運(yùn)維成本因氣候而具有波動(dòng)性。通過(guò)天氣預(yù)報(bào)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)來(lái)優(yōu)化運(yùn)維的辦法可以有效降低成本估算復(fù)雜度。值得肯定的是，運(yùn)維初期成本在整個(gè)生命周期較高，之后會(huì)隨時(shí)間逐步降低直至平穩(wěn)。
3.1.3 退役回收階段
風(fēng)電機(jī)組達(dá)到使用壽命后進(jìn)入退役階段。目前機(jī)組有2種退役方式：一是完全退役，即所有部件、基礎(chǔ)被拆卸處理；另一種是非完全退役，即拆舊更新，廢料用于市政建設(shè)，原風(fēng)電場(chǎng)地用于養(yǎng)殖業(yè)等改造建設(shè)。本文主要研究完全退役回收。
退役回收成本Cretire為
式中：C6~C9分別為風(fēng)電機(jī)組的拆卸、廢舊設(shè)備運(yùn)輸、場(chǎng)地清理和回收利用成本。
風(fēng)電機(jī)組的拆卸成本與安裝成本有關(guān)，可用風(fēng)機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)的安裝成本按比例估算。運(yùn)輸成本包括海運(yùn)和陸運(yùn)，通過(guò)船舶/車輛的租賃與折舊成本計(jì)算。文獻(xiàn)[74]提出并驗(yàn)證了基于船舶使用的風(fēng)電場(chǎng)拆除與運(yùn)輸成本估算模型，但未考慮清理場(chǎng)地和回收成本，模型尚存不足。場(chǎng)地清理成本取決于其建筑面積；回收利用成本取決于廢棄材料的回收方式，目前有物理回收和化學(xué)回收2種方式。通過(guò)回收能獲得Fe、Cu等金屬和珍貴的稀土元素。文獻(xiàn)[75]指出包括風(fēng)電基礎(chǔ)在內(nèi)，海上風(fēng)場(chǎng)回收得到的收益將接近退役回收總成本的20%，因此回收所得的收益不可忽視。
海上風(fēng)電退役回收成本的影響因素很多，其模型的構(gòu)建具有很強(qiáng)的非線性和不確定性。鑒于退役成本在LCC中占比較小，許多學(xué)者通常使用線性化的方法進(jìn)行處理。
3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與案例
經(jīng)濟(jì)評(píng)估在于衡量海上風(fēng)電項(xiàng)目投入與收益的基本關(guān)系。通過(guò)不同指標(biāo)體現(xiàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)部之間的差異，突出不同生命階段的占比，為經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化指明方向。一般來(lái)說(shuō)，常用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有：成本現(xiàn)值（present value of cost，PVC）、凈現(xiàn)值（net present value，NPV）、投資回收期（payback period，PBP）、內(nèi)部收益率（internal rate of return，IRR）、投資回報(bào)率（return on investment，ROI）、平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）等。這些指標(biāo)分別從投資成本和收益的角度量化海上風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)化程度。文獻(xiàn)[77]通過(guò)文獻(xiàn)主題和關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)分析得出，LCOE、PBP和ROI在評(píng)估風(fēng)電項(xiàng)目時(shí)被廣泛使用，并取得良好效果。
成本現(xiàn)值（PVC，用O表示）指海上風(fēng)電項(xiàng)目周期的全部成本?？紤]到通貨膨脹和利率變化等經(jīng)濟(jì)因素，成本現(xiàn)值O為
式中：i為通貨膨脹率；k為利率；Ts為風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)壽命；V為退役風(fēng)電場(chǎng)的剩余價(jià)值。
凈現(xiàn)值（NPV，用P表示）代表考慮海上風(fēng)電項(xiàng)目從投資開(kāi)始現(xiàn)金流的折算凈值，可表示為
式中：Rt和Et分別為第t年的收入和成本；G0為Corigin與第n–1年的C6之和；r為折算到當(dāng)年現(xiàn)金流的成本折算率。
特別地，當(dāng)P=0時(shí)，r就是項(xiàng)目?jī)?nèi)部預(yù)期收益率（IRR，用Q表示），即有
投資回收期（PBP，用R表示）表示收回項(xiàng)目投資成本的時(shí)間。從是否考慮設(shè)計(jì)壽命和時(shí)間成本的角度出發(fā)，回收期還可分為靜態(tài)回收期和動(dòng)態(tài)回收期，二者回收時(shí)間t皆需滿足式（8）。
投資回報(bào)率（ROI，用S表示）反映項(xiàng)目的獲利程度，可表示為
式中：EBIT為經(jīng)營(yíng)期間平均稅前利潤(rùn)；Call為風(fēng)電項(xiàng)目實(shí)際使用壽命內(nèi)的總成本。
考慮到海上風(fēng)電項(xiàng)目LCC以及總電能產(chǎn)生的比值，平準(zhǔn)化能源成本（LCOE，用T表示）可表示為
式中：N為風(fēng)電項(xiàng)目的實(shí)際壽命；EEt為第t年的年發(fā)電量。
表2對(duì)比了上述指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于項(xiàng)目投資者而言，當(dāng)計(jì)算所得PBP小于20，IRR和ROI為正數(shù)時(shí)項(xiàng)目可以在回收成本的同時(shí)創(chuàng)造收益，同時(shí)更低的LCOE和更高的IRR、ROI值更受青睞。
表2 海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)評(píng)估的6個(gè)指標(biāo)比較
Table 2 Comparison of 6 indicators for economic evaluation of offshore wind power
為更好地體現(xiàn)海上風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，以一個(gè)案例說(shuō)明LCC經(jīng)濟(jì)評(píng)估的作用。
中國(guó)粵西某海上風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)規(guī)模300 MW，水深28~32 m，離岸距離31 km，年利用小時(shí)數(shù)2890h，年發(fā)電量約為8.67億kW·h，擬投入運(yùn)營(yíng)20年?；鶞?zhǔn)電價(jià)和補(bǔ)貼電價(jià)分別為0.453和0.397元/(kW·h)，年補(bǔ)貼小時(shí)數(shù)2600h?？紤]項(xiàng)目有無(wú)補(bǔ)貼時(shí)的年發(fā)電收入分別約為70241.1萬(wàn)元和39275.1萬(wàn)元。
據(jù)測(cè)算，項(xiàng)目規(guī)劃費(fèi)用約6570.8萬(wàn)元；招標(biāo)采購(gòu)費(fèi)321760萬(wàn)元；安裝調(diào)試總成本約219210萬(wàn)元（其中安裝費(fèi)約181342.1萬(wàn)元）；根據(jù)式（3），初始投資成本約547540.8萬(wàn)元。年均固定支出和運(yùn)營(yíng)維修費(fèi)分別約277元/kW和150元/kW，由式（4）可得總運(yùn)維成本約25.62億元。6 MW風(fēng)電機(jī)組及海底電纜的拆卸費(fèi)用分別約為300萬(wàn)元/臺(tái)、50萬(wàn)元/km，預(yù)估退役回收階段的拆除成本為3.17億元。鑒于部分?jǐn)?shù)據(jù)仍處于保密階段，計(jì)及未公開(kāi)數(shù)據(jù)的成本，結(jié)合式（8）（10），得到部分經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表3所示。
表3 粵西某海上風(fēng)電項(xiàng)目的部分經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
Table 3 Some economic indicators of western Guangdong OWP projects
從結(jié)果上看，該項(xiàng)目無(wú)論有無(wú)補(bǔ)貼都能實(shí)現(xiàn)盈利，且LCOE相同。結(jié)合式（10），LCOE僅與年發(fā)電量等4個(gè)因素有關(guān)，故有無(wú)補(bǔ)貼并不影響其變化。無(wú)補(bǔ)貼時(shí)IRR僅3.29%，不足有補(bǔ)貼時(shí)的50%，且PBP接近風(fēng)機(jī)的退役年限，基本不具備平價(jià)上網(wǎng)的條件。而有補(bǔ)貼能將PBP縮短6.53年，在于補(bǔ)貼電價(jià)高、時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)，年補(bǔ)貼量達(dá)無(wú)補(bǔ)貼時(shí)收入的79%。隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的成熟，LCOE逐漸下降。因此，在風(fēng)電平價(jià)去補(bǔ)貼化上網(wǎng)的未來(lái)，海上風(fēng)電項(xiàng)目更加需要開(kāi)拓新的產(chǎn)業(yè)，謀求更多收益。
4 未來(lái)的發(fā)展建議與思考
4.1 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
1）風(fēng)機(jī)大型輕量化。
如今，海上風(fēng)機(jī)正朝著大型化穩(wěn)步發(fā)展。為降低大型風(fēng)機(jī)維護(hù)成本，未來(lái)宜發(fā)展半直驅(qū)技術(shù)。半直驅(qū)風(fēng)機(jī)的齒輪箱比直驅(qū)風(fēng)機(jī)更簡(jiǎn)單，磁極數(shù)更少，故障率更低，機(jī)艙重量顯著降低，是發(fā)展更大功率機(jī)組的首選。
但風(fēng)機(jī)體型并非越大越好。大型風(fēng)機(jī)有著更大的重量、陣風(fēng)載荷和運(yùn)行雷諾數(shù)，同時(shí)伴隨著更強(qiáng)烈振動(dòng)和疲勞載荷，對(duì)建造材料及制造工藝也提出了更高的要求。材料方面，碳纖維較玻璃纖維更符合風(fēng)機(jī)輕量化的發(fā)展；工藝方面，與傳統(tǒng)的灌注成型相比，拉擠成型的成品具備的力學(xué)性能更佳。風(fēng)機(jī)葉片采取柔性仿生等設(shè)計(jì)可提高其力學(xué)性能，但隨之增加的材料及工藝的成本問(wèn)題難以攻克。因此，加快研發(fā)低成本且力學(xué)性能更優(yōu)的材料及配套工藝，將對(duì)海上風(fēng)電降本增效做出巨大貢獻(xiàn)。
除此之外，海上漂浮式風(fēng)機(jī)的推陳出新為未來(lái)的發(fā)展提供了無(wú)限可能。2022 年，SeaTwirl公司在挪威建造了 1 MW 浮動(dòng)垂直軸風(fēng)機(jī)，垂直軸風(fēng)機(jī)不需要偏航系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)尾流不會(huì)互相影響，便于更加緊密的部署，且大規(guī)模海上垂直軸風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率更高；2022年9月明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司推出Ocean X雙轉(zhuǎn)子共用塔筒的漂浮式風(fēng)機(jī)；2023年P(guān)ivotBuoy推出的無(wú)塔筒浮式風(fēng)機(jī)X30比漂浮式輕80%、總成本低50%等（見(jiàn)圖8），為海上風(fēng)電的發(fā)展提供更多的方案與思路。
圖8 3種新型海上漂浮式風(fēng)機(jī)
Fig.8 Three new types of floating offshore wind turbines
2）風(fēng)場(chǎng)深海遠(yuǎn)洋化。
海上風(fēng)電逐步走向遠(yuǎn)海的同時(shí)應(yīng)更注重向深海地區(qū)發(fā)展。根據(jù)海洋深度和離岸距離來(lái)選擇適宜的基礎(chǔ)是未來(lái)發(fā)展的需求，深海區(qū)主要以漂浮式風(fēng)機(jī)為主，半潛式的建設(shè)較其他基礎(chǔ)容易且成本更低，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，在深遠(yuǎn)海最具潛力。
遠(yuǎn)海風(fēng)電過(guò)長(zhǎng)的輸電線路使電纜等成本及電能損耗劇增，應(yīng)對(duì)比選擇更經(jīng)濟(jì)的電能傳輸方式。FFTS技術(shù)在海上風(fēng)電場(chǎng)的投資與維護(hù)費(fèi)用比HVDC更低，在遠(yuǎn)海輸電的更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。此外，受FFTS啟發(fā)，頻率更低的低頻輸電技術(shù)（LFAC）可能更具經(jīng)濟(jì)性，極具未來(lái)研究?jī)r(jià)值。
單一輸電方式在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上尚存局限。結(jié)合HVDC在遠(yuǎn)海輸電的優(yōu)勢(shì)，考慮FFTS與其在線路長(zhǎng)度、功率上的合理配置，甚至與儲(chǔ)能等相結(jié)合，也是未來(lái)實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)最大化的關(guān)鍵之一。
3）產(chǎn)業(yè)多元智能化。
海上風(fēng)電單一模式在經(jīng)濟(jì)上是欠缺的。海上風(fēng)電聯(lián)合其他產(chǎn)業(yè)的綜合模式對(duì)提高風(fēng)電利用率、緩解消納問(wèn)題有重要意義。
隨著人工智能的發(fā)展，將其與海上風(fēng)電項(xiàng)目結(jié)合，將事半功倍。綜合運(yùn)維管理是當(dāng)前海上風(fēng)電綜合模式面臨的難點(diǎn)，可將人工智能等技術(shù)融入海上風(fēng)電項(xiàng)目，利用無(wú)人機(jī)等建立智能感知管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)高效監(jiān)測(cè)整個(gè)聯(lián)合運(yùn)維項(xiàng)目，節(jié)約運(yùn)維成本。但同時(shí)也要考慮與海上風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的兼容性，最大程度創(chuàng)造共贏局面。
4.2 海上風(fēng)電全生命周期經(jīng)濟(jì)化展望
初始投資階段各部分的成本已具備相對(duì)穩(wěn)定的體系。但目前許多成本模型的搭建主要采用風(fēng)機(jī)外部額定功率的函數(shù)擬合，尚無(wú)風(fēng)機(jī)內(nèi)部部件的詳細(xì)成本建模。研究并細(xì)化至機(jī)組內(nèi)部的詳細(xì)成本模型，屆時(shí)將有力促進(jìn)對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的參數(shù)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性提升。海上風(fēng)機(jī)所面對(duì)的環(huán)境比陸地惡劣，可以通過(guò)噴涂表面涂層的方式增加風(fēng)機(jī)的抗腐蝕性和自清潔能力。同時(shí)，加快新材料的研發(fā)和推動(dòng)風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展將會(huì)在降低項(xiàng)目初始投資成本上做出巨大貢獻(xiàn)。
運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的經(jīng)濟(jì)性有很大的優(yōu)化空間。如風(fēng)機(jī)會(huì)因惡劣天氣影響、維護(hù)船只的運(yùn)輸、設(shè)備檢修而停機(jī)，停機(jī)時(shí)間的組成現(xiàn)已細(xì)化，但未明確具體的時(shí)間和損失發(fā)電量；風(fēng)機(jī)受天氣、風(fēng)能等因素的影響，目前近海區(qū)域?qū)@些因素的評(píng)估多基于歷史觀察，如何實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間跨度的風(fēng)能預(yù)測(cè)、合理安排風(fēng)機(jī)的啟停將對(duì)市場(chǎng)應(yīng)用和系統(tǒng)安全提供重要支撐。
運(yùn)營(yíng)階段元件的故障將會(huì)使系統(tǒng)停機(jī)，有針對(duì)性地定期保養(yǎng)電氣元件與結(jié)構(gòu)、提升相應(yīng)技術(shù)手段對(duì)提升海上風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。加強(qiáng)運(yùn)維將可延長(zhǎng)機(jī)組運(yùn)行壽命3~10年，通過(guò)海上風(fēng)電與人工智能等結(jié)合將很大程度上優(yōu)化運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的檢修與維護(hù)。此外，深遠(yuǎn)海運(yùn)營(yíng)過(guò)程中宜選用降頻、柔直與其他綜合的輸電方式提高輸電線路傳輸容量，減小傳輸損耗。
退役回收階段的最大問(wèn)題在于合理地回收、配置資源。一些海上風(fēng)電項(xiàng)目的基礎(chǔ)設(shè)施（如變電站、管理平臺(tái)）在風(fēng)機(jī)退役后仍能繼續(xù)工作，但由于退役成本過(guò)大，許多國(guó)家海上風(fēng)電場(chǎng)的最終歸宿是被直接廢棄，使得相關(guān)海域和材料被浪費(fèi)。另外，廢棄的場(chǎng)地?zé)o人管理，亦對(duì)海洋環(huán)境造成極大污染。因此，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度建立合理的風(fēng)機(jī)退役及后處理策略，對(duì)可持續(xù)發(fā)展將會(huì)起到重要作用。
海上風(fēng)電項(xiàng)目的評(píng)估不應(yīng)局限于經(jīng)濟(jì)層面，亦要著眼于諸如減少碳排放、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)效益，使同一項(xiàng)目獲得更多層面的回報(bào)。
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