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海上风力发电

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北海Alpha Ventus海上风力发电场的风力发动机及变电所
泰晤士河口的四个海上风力发电场：Kentish Flats、Gunfleet Sands、Thanet及伦敦阵列，其中的伦敦阵列为世界最大的四个海上风力发电场之一。

海上风力发电（Offshore wind power），又称海上风力能源，是于海上建设风力发电厂，通常设置地点位于大陆棚，利用风能进行发电。一般而言，海上风力资源较陆上丰富，且风向较为稳定，使得海上风力发电较陆上风力发电在同样时间内能提供更多的电力[1]，且设施远离民众居住地，各界对此类邻避设施的反弹也较小。

2015年以前，海上风力发电成本通常较陆上发电成本为高[2]，但于2016年起全球各地海上风力发电竞标价格较过去显著下降。例如，荷兰波瑟勒 (Borssele) 1号与2号海上风力发电场，合计装机容量为700百万瓦特 （MW），竞标合约价格已降至每度电0.0727欧元（€72.70/MWh），若包含输电设备为每度电0.087欧元（€87/MWh）[3]；另外，丹麦 Kriegers Flak 海上风力发电场装机容量为600百万瓦特 （MW），竞标合约价格更降至每度电0.0499欧元（€49.90/MWh）（不含输电设备）[4]。

截至2018年，全球营运中的海上风力发电厂当中，英国Walney Extension 海上风力发电场装机容量为 659百万瓦特 （MW），为世界最大的海上风力发电场；而装机容量 630百万瓦特 （MW） 的英国伦敦阵列（London Array）风力发电厂则为第二大；装机容量 600百万瓦特的荷兰 Gemini 则位居第三。但前述风力发电厂与计划中的多格滩4,800百万瓦特 （MW）、Norfolk Bank 7,200百万瓦特 （MW）及Irish Sea 4,200百万瓦特 （MW）等相比，规模仍为较小。根据全球风能理事会（英语：Global Wind Energy Council）《2022年全球风能报告》的统计，至2021年底中国海上风力发电量方面超过了英国和德国，成为全球最大的海上风力发电市场，占全球总装机容量的40%[5][6]。

历史

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5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
1998
2002
2006
2010
2014
2019
海上风力发电装置容量(百万瓦).
Sources: GWEC (2011–2016)[7][8][9] 和欧洲风能协会（英语：WindEurope）(1998–2010)[10]

欧洲是海上风电的世界领先者，1991年在丹麦安装了第一座海上风电场（Vindeby）[11] 。2009年，欧洲海上风机平均额定容量约为3 MW，未来风机容量预计将增至5 GW[11] 。

到2014年1月，已经在欧洲建设了69个海上风电场，年平均额定容量为482 MW[12] 。 欧洲海域海上风电场总装机容量达到6,562 MW[12]。英国迄今为止最大容量为3,681 MW。丹麦排在第二位，安装了127.1 MW，比利时排在第三位，总计571 MW。 其次是荷兰（247 MW），瑞典（212 MW），芬兰（26 MW），爱尔兰（25 MW），西班牙（5 MW），挪威（2 MW）和葡萄牙（2 MW））[12]。

在欧洲以外，中国大陆政府已经制定了到2015年安装海上风电装机容量5 GW的宏伟目标，到2020年将达到30 GW，这将超出其他国家的容量。 然而，2014年5月，中国大陆海上风电装机容量为565 MW[13] 。2016年中国海上风电装机容量增加到832 MW，其中636 MW是中国大陆制造[14]。

挑战

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  • 风机寿命为20-25年，[15]在丹麦有专门的除役公司，能以每百万瓦2到4百万丹麦克朗的价格回收机组，此费用于建构时由拥有者所保证。[16]
  • 风机结构的自然频率应避开震动频率。
  • 风机叶片的疲劳载荷[17]。
  • 强烈海风吹起的海浪造成“咸水烟”，可能严重侵蚀风力发电机结构与电气设备[18]。
  • 运输时的受力和损坏评估
  • 腐蚀[19]
  • 施工不易[20][21]
  • 维修不易[22]
  • 风力电场对航行安全的影响[23]。
  • 离岸风力电场对渔业的影响[24]。

垂直轴风力发电机

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主条目：垂直轴风力发电机

在海上风力发电装置须要有浮体结构把发电装置浮在海面高处，加上高耸的发电机组使得重心很高，浮体结构须有相对大体积，才能在起伏不定，甚至是风暴中的海面保持稳定。因此建构成本较岸上的高。 有研究指出，在海上风力发电的场合使用把垂直轴风力发电机会有较高的成本效益[25]。这是由垂直轴风力发电机的发电机组安装在近海面的位置，整体重心较低，较细小、平宜的浮体结构就已足够[25]。 此外，近海面的发电机组在维修时，维修人员不用在不完全稳定的海面登上高放，难度及时间也减少了。

该研究报报指出，在同样的成本下使用垂直轴风力发电机的海上风力发电会有比使用传统的水平轴风力发电机有更高的发电量。[25]

在2023年，有报道日本多家机构一起积极研究在海上风力发电中使用垂直轴风力发电机[25]。

展望

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对2020年的预测估计，欧洲水域的海上风电场容量为40 GW，这将提供欧盟电力需求的4％[26]。欧洲风能协会（英语：WindEurope）（WindEurope）已经设定到2020年达到40 GW的目标，到2030年达到150 GW[11]。预计到2020年，全球海上风电装机容量将达到75 GW，其中有来自中国大陆和美国将显著的贡献。

经济合作与发展组织（OECD）预计，到2030年，海上风电将在2030年达到海洋经济的8％，其产业将雇用43.5万人，增加价值2300亿美元[27]。

各地的海上风电

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台湾

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台湾东部海域几无大陆棚，陡深的海深不适合发展海上风力发电，因此风机都建在西部的台湾海峡上。但台湾海峡经钻探发现海床沉积物主要成分为粉土和黏土，地底下80米仍未见岩盘[28]。此外，和欧洲北海的风场相比，台湾地震强又多，所以耐震是很重要的议题，在设计风机时需考量土壤液化和桩土互制等等[29]。目前台湾离岸风机都使用进口的发电机组[30]。

2019年4月，沃旭做出大彰化东南及西南第一阶段风场最终投资决定（final investment decision）后，也正式与西门子歌美飒签署供应合约，协力促成亚太首座、同时也是欧洲地区以外第一座风机机舱组装厂落脚台湾。[31]

根据经济部表示，台湾累计至 2023 年底已安装 283 座风力机，更完成 2.25GW 的风场建置，达成原定 2023 年海上风电设置的 2.03 至 2.43GW 目标。[32]

丹麦哥本哈根附近的海上风力涡轮机
各国/地区海上风电机列表
安装容量(MW)排行
排名 国家 2016[33] 2017[33] 2018[33] 2019[34] 2020[35][36] 2021[37] 2022[38] 2023[39]
1 中国大陆（英语：List of offshore wind farms in China） 1,627 2,788 4,588 6,838 9,996 19,747 26,563 31,527
2 英国（英语：List of offshore wind farms in the United Kingdom） 5,156 6,651 7,963 9,723 10,428 12,281 13,601 14,741
3 德国（英语：List of offshore wind farms in Germany） 4,108 5,411 6,380 7,493 7,689 7,701 8,043 8,300
4 荷兰（英语：List of offshore wind farms in Netherlands） 1,118 1,118 1,118 1,118 2,611 3,010 3,010 5,269
5 丹麦（英语：List of offshore wind farms in Denmark） 1,271 1,268 1,329 1,703 1,703 2,343 2,343 2,343
6 比利时（英语：List of offshore wind farms in Belgium） 712 877 1,186 1,556 2,261 2,263 2,263 2,263
7 法国 0 2 2 2 2 2 482 978
8 台湾 0 8 8 128 128 237 237 613
9 越南 99 99 99 99 99 99 396 496
10 日本（英语：List of offshore wind farms in Japan） 60 65 65 85 85 85 225 346
11 瑞典（英语：List of offshore wind farms in Sweden） 202 202 192 191 192 191 191 191
12 韩国 35 38 73 73 136 104 112 112
13 挪威 2 2 2 2 2 6 8 96
14 芬兰 32 92 87 71 71 71 71 71
15 美国（英语：List of offshore wind farms in the United States） 30 30 30 30 42 42 42 42
16 意大利 0 0 0 0 0 0 30 30
=17 爱尔兰 25 25 25 25 25 25 25 25
=17 葡萄牙 0 0 0 0 25 25 25 25
19 西班牙 5 5 5 5 5 5 5 7
世界总计 14,482 18,658 23,140 29,142 35,500 48,176 57,609 67,475
增加率 - 28.8% 24.0% 25.9% 21.8% 35.7% 19.6% 17.1%

参见

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维基共享资源上的相关多媒体资源：海上风力发电

参考文献

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  1. ^ Madsen & Krogsgaard. Press offshore 互联网档案馆的存档，存档日期July 19, 2011，. (in Danish) BTM Consult, 22 November 2010. Retrieved: 22 November 2010.
  2. ^ Levelized Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2011 互联网档案馆的存档，存档日期2011-05-09.. Released December 16, 2010. Report of the US Energy Information Administration (EIA) of the U.S. Department of Energy (DOE).
  3. ^ Tender design, output gains key to DONG’s record-low Borssele 1&2 offshore bid price. 17 August 2016 [17 September 2016]. （原始内容存档于17 September 2016）. 
  4. ^ Steel, William. Vattenfall wins Kriegers Flak with record €49.90/MWh. Recharge. 9 November 2016 [10 November 2016]. （原始内容存档于2016-11-10）. 
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  6. ^ 中国第一！全球各国风电装机Top10排名出炉. 北极星风力发电网. 2022-04-06 [2022-04-07]. （原始内容存档于2022-04-06）. 
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  17. ^ 複合材料風力葉片疲勞壽命分析 (PDF). [2018-04-26]. （原始内容 (PDF)存档于2016-10-20）. 
  18. ^ 離岸風機 將聳立台灣海峽. [2018-04-26]. （原始内容存档于2018-04-26）. 
  19. ^ 離岸風機下部基礎結構營運期間之結構安全議題探討 (PDF). [2018-04-26]. （原始内容 (PDF)存档于2018-04-26）. 
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