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技术贴|海上风场如何规划?

日期:2016-09-19    来源:微尔纳米

国际风力发电网

2016
09/19
14:29
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关键词: 风电场 海上风电 离岸风电

在离岸风场建置时除了需考虑到建置地点的风力因素外,还需要考虑国防、航道以及自然生态等多项因素。除此之外,为了有效地达到经济规模,降低个别单位建造时间,这都是需要一个全面且详实完整的规格,本文就近一步针这些方面来进行探讨。

一、政府法令支持与规划

离岸风电在电力市场扮演越来越重要的角色,先进国家都有所谓的“国家级水域计划(National Water Plan)”,规范离岸风电场、航道、油气采掘、国防、渔业、生态环境、港口使用等用途。这是一个非常复杂的规划,需要跨部会的通力合作,才有可能得到高分。

强韧的法规环境永远是发展离岸风电产业最重要的成功因素,也是最难达到高分的因素。荷兰的作法分成五个步骤:

(1)制订国家级水域使用计划

(2)规划未来5年的roadmap

(3)政府做好先期的风场调查计划,提供业者参考

(4)电网公司规划海底电缆

(5)风场让民间业者竞标

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二、离岸距离攸关使用技术

在风力发电机更新换代的初期,离岸风力机的发电效率并不会有明显的改善,因为还需要针对实际环境做许多调整。由于风力发电场本身也要用电,以及海底电缆的损耗等因素,离岸风机的毛发电量通常比净发电量(扣除用电、耗损与其他因素)高出许多。平均来说,德国风场的净容量因素(Net Capacity Factor)约在45-48%之间。净发电量通常是毛发电量的75-78%。我们一般计算风力发电成本的时候,使用净发电量来估计。

德国规定离岸风电场必须至少离岸40公里,所以成本偏高。台湾据说最近的地方(已经避开白海豚栖息地),仅有3公里。多数台湾的风场应该离岸5.5公里以外,避开白海豚的栖息地。考虑台湾海峡的宽度、海峡中线距离、发电成本、生态保育等种种因素,台湾多数的离岸风场将离岸6-50公里之间。

这样的考量之下,多数的台湾离岸风电场将使用HVAC(高压交流输电)技术,介于22-150kV之间。有别于欧洲普遍使用的HVDC(高压直流输电)技术。HVAC技术的线路损耗会比HVDC高出许多,但总体建置成本比较低。

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三、风机数量、配置有玄机

根据研究,固定式离岸风机的经济规模是100台,这样单位建造时间约可以降低到5天左右。台湾目前三家离岸风电业者的平均数字是36台,单位建造时间约在13-26天,缺少经济规模,造成台湾离岸风电成本居高不下。

如果台湾的离岸风场规划均以小风场为主(低于100支以下),这个产业大概也是做不起来。英国的Dogger Bank离岸风场,规划7.2GW,即使分期建置,将来的发电成本将非常低廉。成本低廉的绿色电价,成败系于政府的前瞻规划。

使用同样的离岸风机,类似的风场设计(layout),年发电量差距达36.76-38.47%。风场开发商有其knowhow,后面将说明原因。

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正确的观念是最大化风场发电量(GWh/year)与风场密度(Wind Farm Density, MW/km2),而不是最大化风机的容量因素(Capacity Factor)。高容量因素的风场未必是好事。我们可以看到这四种风场设计,以Design 1&Design 2的年度发电量较高,但其容量因素反而较低。Design 1与Design 3使用同样的风机,不同的风场密度。Design 2与Design 4亦同。

如果风机比较密集配置,风场密度会比较高,风场的年度发电量也会比较高。但因为风机比较密集,所以单台风机的容量因素会下降,有些风能被前面的风机拿去了,后面的风机自然发电效率较差。

从实际的数字来分析,Design 2使用大风机(8MW)、高风场密度(9MW/km2),所以其单位投资成本的发电量是最高的,达22.0(GWh/y除以百万欧元)。其次是6MW风机,9MW/km2,其单位投资成本的发电量是 20.9。

强韧的法规环境永远是发展离岸风电产业最重要的成功因素。荷兰的作法分成五个步骤,非常值得台湾参考,特别是政府做好先期的风场调查计划,提供业者参考,台湾目前并没有此制度。正确的观念是最大化风场发电量(GWh/year)与风场密度(Wind Farm Density,MW/km2),而不是最大化风机的容量因素(Capacity Factor)。从数字上来看,使用6-8MW 离岸风机,9MW/km2 风场密度的投资效益最好。

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