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為實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電,西門子目前正在建設(shè)用于高壓直流輸電的巨型換流器平臺。該平臺不僅可以降低輸電損耗,而且能夠促進(jìn)外海風(fēng)電場的開發(fā)。
置身光線昏暗的平臺內(nèi)部,空氣分外窒悶。實(shí)際上,如果沒有向?qū)?,人在這個(gè)龐然大物中很容易迷路,它就是正在位于波羅的海岸邊德國Wismar北歐船廠中修建的換流器平臺。參觀這座設(shè)施有如埃及金字塔之行。這樣說毫不夸張,該建筑的尺寸堪比法老陵墓。平臺高35米,長70米,寬50米,總重量達(dá)15000噸。更形象地說,這座設(shè)施的高度相當(dāng)于十層樓,重量相當(dāng)于25架加滿油、載滿乘客的空客A380。
平臺內(nèi)部的腳手架上隱約可見工人們的身影。他們身著白色工作服,頭戴護(hù)目鏡。他們在焊接組件,安裝*的設(shè)備,將電氣工程技術(shù)應(yīng)用到海上,為邁向可再生能源經(jīng)濟(jì)添磚加瓦。西門子將在海港城市Wismar和Warnemünde建造三座海上換流器平臺,目前正在建設(shè)的便是其中的*個(gè)。這些平臺將用于高壓直流輸電(HVDCT)工程。具體而言,它們將集中北海風(fēng)電場生產(chǎn)的交流電,然后將其轉(zhuǎn)換為直流電,再通過海底電纜將電能傳輸上岸。
西門子正在建設(shè)十層樓高的換流器平臺。這些平臺可以將來自風(fēng)電場的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。
建造這些平臺是因?yàn)楹I巷L(fēng)力發(fā)電在德國的“能源轉(zhuǎn)型”中發(fā)揮著舉足輕重的作用。德國計(jì)劃到2025年將風(fēng)電占全國總發(fā)電量的比例提高到15%。具體而言,到2020年,德國海上風(fēng)電場的發(fā)電量將增加至1000萬千瓦,到2030年增加至2500萬千瓦。相形之下,目前德國實(shí)際上只有兩座在運(yùn)海上風(fēng)電場(Alpha Ventus和EnBW Baltic一期),總裝機(jī)容量為20萬千瓦。海上風(fēng)電場具備明顯的優(yōu)勢。比如,一臺6000千瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)如果安裝在海岸,其每年的發(fā)電量一般為2300萬千瓦時(shí),但是如果安裝在海上,則這個(gè)數(shù)字可以達(dá)到3100萬千瓦時(shí)。由于海上風(fēng)力更猛,海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年可以全速運(yùn)轉(zhuǎn)4000小時(shí)以上,而相比之下,岸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間僅為2000小時(shí)。換言之,在海上可以采用功率更大的發(fā)電機(jī),并且發(fā)電機(jī)每天有一半的時(shí)間可以全速運(yùn)轉(zhuǎn)。然而,到了陸地上,即使是高性能的6000千瓦發(fā)電機(jī),其發(fā)電量也會大打折扣,因?yàn)樵陉懙厣纤鼈兠刻烊龠\(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間只有六個(gè)小時(shí)。
遠(yuǎn)距離輸電效率。時(shí)至今日,近海風(fēng)電場始終依賴傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)將電能輸送到電網(wǎng)中。這無可非議,畢竟對于80公里以內(nèi)的短途輸電而言,這種方法不僅在技術(shù)上可行,還具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。然而,在遠(yuǎn)距離輸電中,交流輸電線路如同電容器一樣,每秒鐘會充放電50次。海底電纜絕緣層的無功損耗也會導(dǎo)致電能損耗。相較而言,高壓直流輸電則不存在這樣的損耗,因而在60公里以上的遠(yuǎn)距離輸電中,高壓直流輸電系統(tǒng)要優(yōu)于交流輸電系統(tǒng)。在電壓為250千伏至320千伏時(shí),直流輸電系統(tǒng)可以在幾乎沒有損耗的情況下,將電能輸送到數(shù)百公里以外的地方。“由于外海風(fēng)電項(xiàng)目需要采用高壓直流輸電技術(shù),可以說這項(xiàng)技術(shù)是能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵要素。”西門子能源業(yè)務(wù)領(lǐng)域輸電解決方案集團(tuán)*執(zhí)行官Tim Dawidowsky如是道。
新建輸電平臺的核心是HVDC Plus——西門子的緊湊型高壓直流輸電換流器。在海上,這個(gè)被西門子稱之為“海上風(fēng)電開關(guān)柜”(WIPOS)的系統(tǒng)最多可以將100萬千瓦交流電轉(zhuǎn)換為直流電。該系統(tǒng)安裝在一個(gè)浮動平臺上面,這個(gè)平臺可以由拖船拖至安裝目的地。平臺的臺基坐落在海床上,通常在海平面以下20米到40米深的地方。整個(gè)臺基通過深入海床以下40米到60米的鋼樁加以固定。然后臺基將穩(wěn)坐在水面以下,平臺的支架裝在臺基之上。
空中足球場。“安裝完成后,這些平臺看上去就像是懸在20米高空的足球場,這個(gè)高度足夠保護(hù)臺身免受百年一遇的巨浪的沖擊。”該平臺建設(shè)項(xiàng)目的總負(fù)責(zé)人Christian Schmitt指出,他在漢堡“遙控”該項(xiàng)目。“這個(gè)直升飛機(jī)起落坪一樣的平臺的頂點(diǎn)在海平面以上60米左右。” Schmitt的同事Michael Suhr補(bǔ)充道。Suhr擁有20多年的造船和航海工程經(jīng)驗(yàn),目前主管平臺的施工。“我們*可以說它是一項(xiàng)開創(chuàng)性的工程。要知道,我們實(shí)際上是在建造一條大船,但是它沒有船舵和船機(jī)。”
這些巨型平臺不僅在重量上相當(dāng)于前代平臺的五倍,而且它們可以安放在距離海岸更遠(yuǎn)的水域中——比前代平臺遠(yuǎn)五倍。此外,這些平臺可以安裝在深度為前代平臺兩倍的水域(40米),它們的平均輸電容量也達(dá)到前代平臺的兩倍(73萬千瓦)。
其中的一個(gè)新平臺將安裝到距離Heligoland海岸100海里的水域中。那里的氣候條件極其惡劣,水很深,空氣中鹽分很高,并且海浪很大。不過此處的風(fēng)速更高,風(fēng)電場的發(fā)電量也更高,因此如果能克服這些困難,那么回報(bào)也會相當(dāng)可觀。
西門子目前承建的高壓直流輸電平臺有四個(gè):BorWin beta、HelWin alpha、HelWin beta和SylWin alpha。這些平臺是根據(jù)北海中的毗鄰島嶼Borkum、Heligoland和Sylt而命名的。SylWin alpha將承擔(dān)86.4萬千瓦的輸電任務(wù),將位于Sylt以西70公里處的DanTysk風(fēng)電場生產(chǎn)的電能輸送到電網(wǎng)。由該平臺傳輸?shù)碾娏靠蓾M足150萬戶德國家庭的用電需求。“這個(gè)輸電容量相當(dāng)于一座大型發(fā)電廠的發(fā)電量。”Suhr說。
拖船將碩大的浮式換流站拖往安裝目的地。此類系統(tǒng)可以將高達(dá)100萬千瓦的交流電轉(zhuǎn)換成可高效傳輸?shù)闹绷麟姟?/p>
將SylWin alpha連接到電網(wǎng)的線路長達(dá)160公里,超過其他所有用于海上輸電的海底電纜。電能上岸后,將由45公里長的電纜將其傳輸?shù)轿挥贐üttel的換流站。在這里直流電重新被轉(zhuǎn)換為交流電,然后饋入德國的電網(wǎng)。西門子將與北歐船廠合作完成平臺的建造。西門子受TenneTTSO(荷蘭與德國合資公司)的委托承建該風(fēng)電并網(wǎng)工程。
海上風(fēng)電場Veja Mate和Global Tech 1位于Borkum島西北125公里的水域中,預(yù)計(jì)未來這些風(fēng)電場的發(fā)電量將達(dá)到80萬千瓦。BorWin beta平臺首先將來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)的155千伏交流電進(jìn)行變壓,使電壓升至300千伏,然后再將其轉(zhuǎn)換為同等電壓的直流電。BorWin beta平臺上可容納高壓直流換流站的所有設(shè)備:換流器、兩臺變壓器,以及四臺用于交流電纜的補(bǔ)償電抗器和氣體絕緣高壓開關(guān)箱裝置。
HelWin alpha和HelWin beta將在Heligoland北部35公里的地方發(fā)揮類似作用,它們將分別承擔(dān)57.6萬千瓦和69萬千瓦的輸電任務(wù)。HelWin beta是一個(gè)較小的子平臺,所以臺上不比HelWin alpha,沒有舒適的生活設(shè)施,只有簡陋的避身之所。“呆在這個(gè)平臺上有些冒險(xiǎn),因?yàn)樯厦鏇]有自來水,的生活裝備是一個(gè)化學(xué)劑馬桶。”Suhr笑著說。這些平臺通常不會有人值守,電網(wǎng)運(yùn)營商可以對其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。只有在安裝施工和后續(xù)維護(hù)時(shí),平臺上才會住人。
英國的未來海上輸電平臺。上述海上換流站項(xiàng)目再次證明了一個(gè)事實(shí),取得開拓性的成績絕不是一件輕而易舉的事情。除要克服技術(shù)難題外,新設(shè)施還必須能獲得客戶的首肯。
另外,審批流程遠(yuǎn)比先前的預(yù)計(jì)更為耗時(shí)。此類流程之所以拖沓緩慢,有兩個(gè)原因。不僅很多組件需要單獨(dú)審批,在相關(guān)方開始處理訂單之前,一些標(biāo)準(zhǔn)也未事先明確定義。由于這些障礙, 平臺將比原計(jì)劃推遲一年交付。相應(yīng)的成本也將增加很多。
不過,高壓直流輸電技術(shù)仍然有著巨大的商業(yè)潛力——當(dāng)然不僅僅限于德國。實(shí)際上,英國提出了更加遠(yuǎn)大的海上發(fā)電規(guī)劃。英國計(jì)劃在2020年以前將海上風(fēng)電占全國總發(fā)電量的比例提高至25%。該國計(jì)劃分三個(gè)階段將海上風(fēng)電裝機(jī)容量逐步提高至4860萬千瓦。“英國計(jì)劃大量建設(shè)海上輸電平臺和風(fēng)電場,其數(shù)量之多,也許幾年以后我們就能踩著平臺去英國啦。”Suhr風(fēng)趣地說。
“我們的前進(jìn)方向是正確的,我們會堅(jiān)定不移地實(shí)施和完成建設(shè)可持續(xù)發(fā)展能源供應(yīng)體系所需的項(xiàng)目。”Schmitt表示,話語中透露出對北海輸電平臺工程創(chuàng)舉的肯定。按計(jì)劃*平臺將于2014年開始向電網(wǎng)送電。屆時(shí),北海上的這些“金字塔”將在未來的零碳電力生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。