导读

海上风电场综合开发是实现科学用海、集约用海、生态用海的重要途径和举措，也是未来海上风电场建设的重要研究课题。风渔结合是海上风电场综合开发的新兴方向，受到各个国家的广泛关注。千尧科技将通过系列文章，梳理风渔结合的国内外发展现状，并分析未来发展前景。本篇为第一篇，从海上风电场综合开发的必要性出发，从多种形式中引出风渔结合。

海上风电场综合开发的必要性与优势

1.风电的巨大潜能

2019年我国海上风电发展提速，新增装机容量149万kW，同比增长33.5%，累计装机达593万kW。我国海上风电累计装机量全球占比已接近22%，在全球海上风电中占比的重要性有所提升。

随着海上风电场对空间占用不断扩大，沿海和近海海域的人类活动普遍增加，海洋功能区的重叠和冲突愈发明显，对海洋空间进行综合利用已是迫在眉睫。与此同时，国家能源局发布新政，即新增海上风电和光热项目不再纳入中央财政补贴范围。按规定，2021年12月31日前机组完成并网的存量海上风电和太阳能光热发电项目才能享受补贴。因此，海上风电开发急需新的发展模式。

图1. 我国海上风电近年装机量

海上风电场综合开发的意义重大，应该从整体上考虑风电场布局和规划，特别是从海域空间资源利用的角度，加强海上生态文明的建设，降低风电项目对海洋环境资源的影响。这样不仅有利于提高能源供需协调能力，更对我国新能源发展具有示范带动作用。海上风电场在与其它海洋能源综合开发利用上有以下几个优势：

·节约海域资源，统筹其他行业的协调发展，减少行业用海矛盾，提高资源利用的效率；

·风能资源和其它海洋能资源容易形成互补，海洋能装置和风机可以共用同一个基础结构，也可以用一个升压站送出电力，不仅会节省前期投资，而且可以减少对电网的扰动；

·风电场中风机是按点布置，但风机中间的空地很难用作其他用途，用做光伏和渔业恰到好处；

·多种海洋能源可以用一批人员来运营管理，节省运维成本。

图2. 海洋能源综合开发典型示意

海上风电场综合开发形式

风能的清洁性及其成本效益毋庸置疑，但是摆脱其增长束缚需要一些突破性思维。业界和政府需要一个系统化的方式打开风电利用新途径的“大门”，其中就包括将海上风电、光伏、储能、制氢等多种海洋能源结合在一起综合开发，高效的转化为清洁能源。同时充分利用风场中间空置海域，发展以渔业为代表的海洋牧场，提升风场开发整体收益，将成为新阶段海上风电场开发的重要手段。

1.海上风电与制氢

使用可再生能源对水进行电解制氢，可以无限期地储存或广泛地应用于从运输、取暖再到工业处理和化工等一系列潜在用途中。加速利用海上风电制氢的技术研究，并建议考虑开展海上风电制氢项目招标，主要是为了有效缓解海上风电快速增长和电网建设速度较慢之间的矛盾，从而促进海上风电发展。

客观来讲，海上送出系统的建设需要大量的前期规划、勘测和审批等工作，施工期漫长，需要各方的配合。而海上风电直接制氢回避了电力系统建设的难题，为海上风电发展提供了可行的思路。采用这种类型的混合动力项目能建造更多的海上风电，并且不会使陆上的电网负担过重，有助于缓解电网连接问题对海上风电发展长期以来的困扰。该模式的优势如下：

·新增的海上风电项目不用新建海上输电系统，不受电网公司的牵制；

·海上风电可以就近在油气平台或油气管道附近建设，降低输电损耗，也可能会降低项目投资成本；

·海上风电制氢制氧的原料丰富，用来制氢的海上可以说是“取之不尽用之不竭”；

·对环境友好，无论是天然气还是石油都是含碳化石能源，而氢气燃烧的产物还是水，真正实现零碳排放。

目前，制约风电制氢的主要问题在于成本。根据预测，到2030年绿色氢气的成本将比现在降低80%，项目的可行性将会大大提高。

图3. 海上风电与制氢融合

3.海上风电与储能

未来海上风电的消纳情况与当地的电源规模、负荷增长以及外送能力密切相关。如果负荷增速与新能源装机增速保持一致，消纳并不会成为未来海上风电发展的掣肘。随着全国用电量增速放缓，未来海上风电消纳形势将可能变得严峻。风力发电具有间歇性和随机性的特点，出力难以精确预测。储能能够平抑风电出力波动、提高电能质量，从而减少风能浪费。从技术上来看，储能是保障海上风电消纳的有力手段。

储能已经开始实际应用于陆上风电和光伏发电，但海上风电储能系统的难点在于如何确定容量，既满足电网要求，又满足开发商的经济性要求。目前海上储能技术有电池储能、风电抽水储能系统、浮力与重力复合储能等方式。海上风电成本很高，再加上储能成本就更高了，经济性是制约海上风电搭配储能的主要因素。

图4. 海上风电与储能融合

3海上风电与供电

目前海上风电将出现另一种颇具吸引力的方案——使用海上风电场为岛屿供电。除拥有丰富地热资源的岛屿外，大多数岛屿的资源依赖于外部，使得可再生能源成了许多岛屿的选择。甚至在可再生能源比常规能源更昂贵的时候，也比其它进口能源更具竞争优势，更何况现在海上风电急速下降的成本赋予了其更强的竞争力。

我国广东省首个建设海上风电项目——珠海桂山海上风电场示范项目，是海上风电与海岛新能源智能微电网应用研究的整合项目。桂山海上风电场项目建成后，将通过该风电场与海岛电网联网工程，把珠海东澳岛、桂山岛、大万山岛三个海岛的微电网与陆上主电网连接，实现海岛联网供电，彻底解决偏远海岛稳定供电难题。该工程还可探索国产海上风电开发新模式、施工技术创新，为南海诸岛的海上风电规模化开发、建设提供宝贵的经验。

图5. 海上风电与油气平台融合

图6. 海上风电与孤岛微电网融合

4.海上风电与多能互补

海洋能资源种类很多，主要有风能、太阳能、波浪能、潮汐能、潮流能、温差能等，由于单独开发建设成本较高，越来越多的人研究如何将海上风能与太阳能、波浪能结合起来。由于海洋中的结构不断的运动，因而现在提出很多的多能互补设计都是针对漂浮式方案。

各国学者对海洋能发电装置的研发，普遍遇到发电不平稳、难以实现并网、缺乏海上测试平台以及无统一的装置工作性能评估方法等瓶颈问题。采用多能互补供电系统综合利用交叉变化的海洋能，有利于将海洋能发电装置产生的多路不平稳电力输入转化为单路平稳电力输出，独立为油气平台与海岛供电或直接并入电网。同时海洋能多能互补供电系统可以共用输电线路、发电设施、又可以借鉴海上风电场成功建设经验，从而提高发电功率，降低建设成本，推动我国海洋能的产业化进程。

图7. 海上风电与光伏融合

图8. 海上风电与波浪能融合

5.海上风电与海洋牧场

目前海上风电场离岸距离越来越远，导致电力在输送过程中普遍存在损耗大、电网运维成本高的现状。同时由于海上风电风机基础施工难度大，导致海上风电建设过程中存在风电基础造价高、运维成本高却无法得到有效利用的现状。

而海洋牧场内存在“供电难、供电不足”的现状，导致大型现代化牧场增养殖设备、资源环境监测设施等无法使用、维持，导致海洋牧场生产过程中普遍存在增养殖效率低、捕捞效率低、劳动强度大、危险系数高等综合性难题。另外因海洋牧场内海洋空间开发不足，目前仅水下部分空间通过增养殖得以开发，而水上空间无法得到有效利用。

因此，以海上供电难、立体开发技术模式缺乏为核心的现代化海洋牧场建设技术体系落后问题已经成为制约海洋牧场产业升级的关键技术瓶颈。而以运维成本高、水下风机基础无法得到有效利用为核心的单一发展模式落后问题已经成为制约海上风电产业可持续发展的关键技术瓶颈。将二者融合则可以有效利用海洋空间，并进一步解决上述突出的技术问题。

图9. 海上风电与海洋牧场融合

风渔结合技术

结合以上几种海上风电场综合开发形式可以看出，海上风电场与海洋牧场结合技术经济效益最有前景，技术成熟度也最高，目前也最容易实现。

一般印象中，海上风电场的开发建设与渔业是矛盾的关系，因为建设海上风场的海域可能会抢占原本可以作为鱼类饲养的海域。但研究表明，海上风电投入运行后，桩基实际上可起到类似人工鱼礁，聚集鱼类的作用。欧洲一些已投运的海上风场风机基础下发现有聚集鳕鱼、马鲭鱼等鱼类的情况。所以，海上风电+海洋牧场结合并不是异想天开，而是有事实和理论基础。尽管风场开发商对海洋牧场的概念并不十分感兴趣，但他们为了减轻海上风电发展对环境或其它产业的不利影响，会考虑这一产业结合的概念。海上风电场的水产养殖可以减少风电场对渔业的影响，有助于减轻和渔业的矛盾。也有人提出，海上风场作为海洋保护区，禁止钓鱼和拖网捕鱼，反而减少了对鱼类种群的干扰。

图10. 风渔结合示意图

1.风渔结合发展现状

目前，欧洲国家已于2000年实施了海上风电和海水增养殖结合的试点研究，其原理为将鱼类养殖网箱、贝藻养殖筏架固定在风机基础之上，以达到集约用海的目标，为评估海上风电和多营养层次海水养殖融合发展潜力提供了典型案例。以韩国为代表的亚洲国家也于2016年也开展了海上风电与海水养殖结合项目，其结果表明双壳贝类和海藻等重要经济生物资源量在海上风电区都出现增加。但我国尚未有海洋牧场与海上风电融合发展的先例，亟待通过实验研究海上风电与海洋牧场的互作机制，查明海上风电对海洋牧场的影响机理，建立海洋牧场与海上风电融合发展新模式，实现清洁能源与安全水产品的同步高效产出。

海上风电建设期对资源环境的影响较弱，在施工期产生的海洋环境改变为局部的、暂时的，随着工程施工的结束，影响会逐步减小，并逐渐恢复到平衡状态。海上风电运行期间，风电场噪声可能对鱼类行为和生理状态产生一定影响，但会局限在非常近的距离范围内。海洋生物因风电磁场不同会产生细微变化，从目前的研究结果来看，以海底电缆2米以上的埋深计算，正常运行下的海缆磁场强度不足以对2米以外的各类被试海洋生物，甚至是底栖生物产生影响。

图11. 海上风电对鱼类影响分析

2.风渔结合机制

根据我国海洋牧场与海上风电产业特征与技术限制瓶颈，二者融合理念与机制主要包括以下三个方面。

空间融合。水上水下、集海面与海底空间立体开发，综合利用海面风能与海洋生物资源，可实现清洁发电与无公害渔业产品生产空间耦合。

结构融合。通过开发增殖型风机基础，实现风电基础底桩与人工鱼礁的构型有机融合，进而达到资源养护、环境修复的功能融合。

功能融合。综合利用季节性渔业生产高峰（春季、夏季、秋季）与风力发电高峰（冬季），实现海洋牧场内生物资源与风力资源周年持续利用生产时间耦合。

通过海洋空间耦合、结构耦合与功能模式耦合，打造“海上风电功能圈”，实现现代化海洋牧场产业与清洁能源产业双赢升级。

图12. 海上风电与海洋牧场融合机制

结语

目前，海洋牧场与海上风电融合发展存在很多不足，有很多工作亟待开展，例如海洋牧场与海上风机联合开发选址与养殖品种筛选（见图13）、环境友好型海上风机研发与应用、增殖型风机基础研发与应用、环保型施工和智能运维技术的研发与应用、海洋牧场与海上风电配套设施研发及应用等。同时从以上不足中，我们也能够看到，海洋牧场与海上风电融合发展的风渔结合形式，在技术发展、工程应用、经济效益、环境效益等方面存在着巨大发展潜力。

图13. 海洋牧场品种筛选

图14. 深远海养殖设备