海上风电与海洋牧场融合发展趋势与技术挑战
8 P6 |8 T) N. P% I- @: P, t" J摘要
b# U. b* r8 ?8 h6 |) |[目的]在“双碳”目标及“海洋强国”战略背景下，以海上风电为代表的海洋能源和以海洋牧场为代表的海洋资源融合发展是未来海洋资源开发利用的新方向、新形势、新机遇。. Z- T# P- y5 ^2 v* D3 ^
[方法]文章以我国海洋资源融合开发需求为导向，分析海上风电与海洋牧场融合全球发展趋势，明确我国风渔融合发展的现状与短板；在此基础上，重点剖析了海上风电与海洋牧场融合发展的融合作用机理、融合方案构建、融合装备设计、融合运行机制及融合工程挑战，最后对我国海上风电与海洋牧场融合发展模式进行了相关总结。+ r( W7 ^( A+ X0 w. J5 z
[结果]通过对海上风电与海洋牧场融合发展关键科学问题、优势方向及不足进行梳理分析，阐明了瓶颈问题及技术挑战，指出了重点突破方向，为我国海上资源综合开发利用提供了科学指导和参考依据。[结论]文章说明了海上风电与海洋牧场融合发展的必要性和可行性，提出了我国海上风电与海洋牧场融合的可行途径。
& m1 I! `+ B2 m( }海上风电与海洋牧场共场域融合的几种模式& s G" l6 |# i- `3 Q/ V1 T
目前，根据海洋风电与海洋牧场2种产业的融合及交互程度，风渔融合模式主要可以分为共场域融合模式和共结构融合模式两类。共场域融合模式可以分为“海上风电+人工鱼礁”“海上风电+贝类藻类”“海上风电+养殖网箱”及“海上风电+休闲渔旅”4种融合方案。共结构融合模式可以分为固定式基础融合和漂浮式基础融合两种方案。
7 ^& P$ Y4 E$ G3 Z, t共场域融合指的是在海上风电场区域内部规划海洋牧场养殖区域，利用海上风电机组之间的空白海域，进行海洋渔业养殖。一方面通过外围的海上风电结构设施保证渔业养殖设施的安全，防止附近船舶失控碰撞，防止外部恶劣环境的影响。另一方面，在海上风电项目的设计阶段，对海洋牧场及其他需要供电产业进行接口预留，从而实现在基本不增加风电造价的前提下，实现海洋牧场在建设期的自由化，实时建成实时接入，自由扩展用海规模，自行确定养殖品种。3 Q8 r# a/ \' A# f' o' L: [6 k0 J [) J$ n
1“海上风电+人工鱼礁”融合方案
& S$ w6 t" Q: H( S“海上风电+人工鱼礁”的融合方案主要通过在固定式风电基础周围投放人工鱼礁，并在礁群上设立一定数量的光源，形成有利于海洋生物的仿自然生态环境，一方面可以吸引鱼类聚集和产卵，养护渔业资源，另一方面可以达到风电桩基础冲刷防护的效果，如图1所示。在海上风电场中投放人工鱼礁可以改善海域生态环境，营造海洋生物栖息的良好环境，为海洋生物提供繁殖及生长的人造场所，进而达到保护、增殖和提高渔获量的目的。“海上风电+人工鱼礁”融合方案主要重生态效益。
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+ R" [1 ]5 R, S7 L1 |- |图1“海上风电+人工鱼礁”融合方案0 ~' m L! r; [9 c" c! v4 F
山东昌邑海洋牧场与三峡300MW海上风电融合试验示范项目是“海上风电+人工鱼礁”的融合方案的典型代表，该项目通过在海上风电场中投放产卵礁、集鱼礁和海珍品礁等，为海洋生物提供人工栖息及繁殖场所，改善海上风电场海域的海洋生态环境。1 P, O( u1 J' p2 R) _" \/ _7 m) R7 f
2 “海上风电+贝藻类”融合方案/ s& A/ E# j" L/ |: E& Q
“海上风电+贝藻类”融合方案是将贝藻类养殖浮子和绳索组成浮式筏架，并通过缆绳将筏架固定于海上风电场区域海底，使藻类和贝类幼苗附着在浮筏上悬挂的绳索上进行养殖，如图2所示。“海上风电+贝藻类”融合方案与海上风电场不存在结构融合，潜在冲突较小，布设方便。% B* n( z8 Q- v. [ A6 M7 Q
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; W9 k- K/ ^" N图2 “海上风电+贝藻类”融合方案' X3 b- T5 u( F; ^- ?- ^6 c
目前，对藻类和贻贝养殖的研究是风渔融合养殖品种研究中最丰富的，从目前欧洲相关研究来看，贻贝养殖是风渔融合项目收益的主要方式，而藻类养殖的经济性较差，具体项目见表1。但是，由于风渔融合养殖品种的地区差异性较大，不同地区要进行不同分析，陈灏等通过研究分析了广东省海上风电场中建设马尾藻养殖场的可行性，证明了“海上风电+马尾藻”融合方案在广东省具备实施经济性。
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表 2 “海上风电+贝藻类”融合项目/ {' F! f& Q/ m9 l+ v) U. }0 R' Q, F
3“海上风电+养殖网箱”融合方案6 l- |2 N S, M0 p$ i
“海上风电+独立养殖网箱”融合方案是根据不同养殖品种需求、水深、海洋环境条件等将不同类型的养殖网箱布设在海上风电机组之间的空白海域，通过海上风电场为海洋牧场供电，实现海上风电与海洋牧场共场域融合，共同建设、共同运维。根据不同型式的养殖网箱装备可以采用不同形式的融合方案。养殖网箱装备的选择需根据养殖品种、环境条件、智能化、经济性要求等因素具体选择：9 z4 G' n5 v# v" d% c9 e
1)满足养殖品种的实际需求：不同鱼类生活习性不同，应匹配相应的养殖方式，如石斑鱼不适合大规模水体养殖，金鲳鱼适合大型网箱养殖等。& ^, P4 ~0 e+ ^1 r
2)环境因素：根据水深、波浪、极端海况等条件，定制设计对应的养殖设施。
. R7 B% i3 B' a# u K' }3)智能化要求：自动投饵机、网衣清洗机器人、智能监测系统、传感系统等智能化设备是保障深远海养殖活动有序开展、把控养殖风险的重要手段，根据最终养殖方案，匹配对应设备系统。- z- y' z) n; X4 `/ _
4)经济性要求：重力式HDPE网箱、深远海桁架式网箱等养殖装备的投资差异极大，如一个100m周长的抗风浪型HDPE网箱的价格多在100万元以内，而一个60000m3深远海桁架式网箱的投资可能高达近亿元，因此分别对应不同养殖模式、运维方式、附加经营模式等，影响投资经济性评估。目前，主流的海上养殖网箱主要分为3类，分别是重力式网箱、桁架类网箱以及养殖工船。“海上风电+独立养殖网箱”融合方案主要采用“海上风电+重力式网箱”及“海上风电+桁架类网箱”2种方式，具体融合方式如图3所示。+ b* ], P* `' n/ S9 @3 \
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/ q Y+ G- ~5 L$ e }图3 “海上风电+养殖网箱”融合方案) E# R; P! B ^3 A, Y! m
4“海上风电+休闲渔旅”融合方案
# q9 \: |9 z0 T* }! O“海上风电+休闲渔旅”融合方案是以海上风电场能源资源为基础，结合具备先进养殖设施的海洋渔业生产人工浮岛平台和深海智能网箱，形成风电场能源转化、渔业生产、休闲旅游、环境保护的海洋开发产业综合体。: x: G# m2 V7 ?8 ?3 i5 K
“耕海一号”是“海上风电+休闲渔旅”融合方案的典型代表，“耕海一号”将海上风电、渔业养殖、智慧渔业、休闲文旅、科技研发、科普教育等功能集成于一体，年可接待游客5万人次以上，是全国首座综合性、示范性、集成性的智能化大型现代生态海洋牧场综合体平台，详见图4。
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图4“耕海一号”渔旅综合平台# }; ^ a# b- `' b3 I
共场域融合方案将海上风电与海洋牧场在结构上尽量分离，相互独立，互不干扰，海上风机与海洋牧场分布相对松散，技术风险低，是当前近海海域海上风电和海洋牧场融合的优选方案。但是，这种融合方式属于空间融合，在结构融合和功能融合方面还存在一些缺点，虽然海上风机与养殖网箱处于同一海域，但两者间相对独立，海洋牧场布置需要考虑海上风机电缆布置、航道布置等因素，削弱了两者间的协同增益功能。
* K& k+ o' i% i! h7 t0 f海洋牧场与海上风电共结构融合的两大方案
$ r/ o( `4 ^! g6 y共结构融合指的是通过固定式或漂浮式风机基础与海洋牧场装备进行融合设计，即在固定式或漂浮式风机基础设计时，考虑加装养殖装备(主要是网衣)所增加的工作载荷，以形成新型的海上风电与海洋牧场一体化装备。+ Y) L3 a; L8 L# [& O; a( a M3 l
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9 H! o c# ]4 @' M固定式基础共结构融合方案9 K$ P, s: D1 n1 B8 {6 `/ h
目前，固定式风机基础主要分为单桩基础、导管架基础及吸力桶基础，根据风机基础不同可以形成不同的共结构融合方案。对于导管架基础，可在导管架平台的支撑结构围上网衣，形成封闭的养殖空间，具体图1所示;对于单桩基础或吸力桶基础，可以在风机基础周围附加养殖结构形成养殖空间。海上风电与海洋牧场融合结构是一种结合两种不同功能的复杂海洋工程结构，截至目前对于浅近海固定式风力机与海洋牧场共结构融合应用仍处于试验示范阶段。
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) ]+ h( u; l. G* e# }- a! J: O# _图1导管架基础共结构融合概念- ?9 [, U0 o* l/ q N* ?8 T
江俊杰提出在导管架平台的支撑结构上加装养殖网衣进行养殖，并对融合养殖网衣后的海上风机结构的动力响应进行了规律性分析。张天翼综合海上风电与海洋牧场设计理念，提出一型固定式单桩海上风机基础融合钢结构海洋牧场的新型海上风渔融合结构，并对此概念进行了耦合动力响应分析与振动控制策略研究。
: M& `, B3 Z2 ~: f“明渔一号”是固定式基础共结构融合方案的典型代表，“明渔一号”采用导管架基础与养殖网衣共结构融合方案设计，导管架基础底部跟开30m，风机基础连距离69km，作业水深45～48m，海洋牧场养殖水体约5000m3，网衣采用分片式布置方案，防止网衣与导管架基础发生摩擦，分片式网衣通过网衣工装与导管架连接，具体网衣布置方案如图2所示。% K: v% l9 U* b: C
“明渔一号”首批投放10000尾金鲳鱼，养殖密为10～15kg/m3。据了解，“明渔一号”导管架+网衣共结构融合方案可显著降低资源开发成本，具有较优的经济性，提高海上风电场整体收益率约1.5%。: h' @5 f& q: r
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2 s3 a% h0 |8 h, z9 G% Z8 Z6 ~漂浮式基础共结构融合方案8 a6 ]+ r; A5 [! H% [
目前，漂浮式风机基础主要分为单柱式基础、半潜式基础及张力腿式基础，根据风机基础不同可以形成不同的共结构融合方案。由于半潜式基础下部的空间较大，可为海水养殖提供空间，形成“上部发电、下部养鱼”的共结构融合模式，所以目前漂浮式基础共结构融合方案大都采用半潜式基础与养殖网箱融合方案。对于半潜式风机基础，可根据浮式基础下部的空间型式设计风渔结合一体化综合支撑平台，形成结构共融，融合型式如图3所示。
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' n5 s) S# t4 v+ o6 ?0 O图3“国能共享号”概念图2 O r; }' ^% J, Z% U" O- P
目前，国内外对于漂浮式风渔融合一体化装备的研究仍处于起步阶段。Zheng和Lei提出了一型融合半潜式基础与养殖网箱的风渔融合一体化平台FOWT-SFFC，见图4(a)，并将FOWT-SFFC平台的动力响应特性与OC3-Hywind及OC4-DeepCwind漂浮式风力机进行了对比分析，结果表明新型风渔融合一体化平台的动力响应特性在极端工况时较其他两型漂浮式风力机更优。6 d) z' O% K: E2 ~/ Y1 Z
Chu等提出了一型融合单柱式基础与养殖网箱的风渔融合一体化平台COSPAR，见图4(b)，并对COSPAR平台进行了动力响应分析，对比了有无风机下单柱式养殖平台的响应，结果表明COSPAR平台在垂荡及纵摇方向的响应小于无风机下的漂浮式养殖平台。
8 r% L- N. H* N* ^; ~6 W' X钟豪提出了一型八边形半潜式基础风机与养殖网箱融合的风电渔场综合平台，见图4(c)，并对选取不同的环境情况对风电渔场综合平台进行频域和时域响应分析。
9 N6 I- v2 G: v( T, w8 C" \Zheng提出了一型融合半潜式垂直轴风机、海洋牧场及光伏发电的漂浮式多功能综合平台WSA，见图4(d)，并通过数值模拟及水池模型试验分析了漂浮式多功能综合平台的动力响应特性，证明了概念的可行性。
2 B( [$ t8 e9 _/ Y8 ~& KLi等提出了一型融合半潜式风机基础、波浪能发电装置及海洋牧场的漂浮式多功能综合平台BlueGrowthFarm，见图4(e)，并对BlueGrowthFarm在典型环境下的水动力性能进行了分析，得到了多功能综合平台的耦合动力响应特性。
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图4漂浮式基础共结构融合方案7 q7 u# P+ U6 G0 H0 D$ e# T) Z8 q
“国能共享号”是漂浮式基础共结构融合方案的典型代表，也是全球首个漂浮式风渔融合项目，“国能共享号”采用三立柱半潜式基础与养殖网箱共结构融合方案设计，由浮式基础、4MW海上风力机、养殖网箱及系泊系统组成，平台立柱高28m，立柱间长70m，设计吃水14m，总重量4900t，养殖水体容积约10000m3。
% c/ p. k" x/ a; Z9 i" v: B共结构融合方案的优势是可以充分利用海上风电支撑基础结构，将海上风电与海洋牧场深度融合，形成多功能平台，实现真正的功能融合，结构紧凑，降本增效显著，是未来深远海资源和能源综合开发的重要方向。但是，目前共结构融合方案还有许多关键问题亟需解决，如新型融合装备的防腐要求提高、网衣带来的水动力载荷影响、风机基础与养殖网衣间的相互作用机制不明等等，短期技术风险和成本较高。6 @: t- R" n1 f7 O# y9 y
2023年7月3日，“绿色湾区，能动未来”2023年粤港澳大湾区“新型能源体系”博士后学术交流活动在广州开幕。中国工程院院士、全国工程勘察设计大师和来自全国各地的80多位博士、博士后齐聚一堂，共话大湾区新型能源体系建设。《南方能源建设》特约作者——中国能建广东院科研工作站博士后阳杰，在青年学者分论坛“可再生、清洁能源与新型能源利用”作《海上风电与海洋牧场融合发展趋势与技术挑战》报告。
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阳杰
7 z# W! r: V5 U+ n7 \0 T* W■ 男，上海交通大学博士，中国能建广东院博士后科研工作站在站博士后，主要从事海上风电与海洋牧场融合发展研究工作。
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信息来源： 本文文字内容节选自《海上风电与海洋牧场融合发展趋势及技术挑战》原刊于《南方能源建设》作者 | 阳杰 张建华 等 数智海洋编排；PPT转自 零碳能源。 |
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