海上风力发电储能技术的可行性与效益分析研究

中海油（海南）新能源有限公司

摘要：海上风力发电是一种将海洋上的风能转化为电能的技术，近年来受到了广泛关注。与陆上风力发电相比，海上风力发电具有更稳定的风能资源和更大的发展潜力。风速的变化会导致风力发电对电力系统的稳定造成一定影响，而储能技术则可以平衡电力供应，应对电网波动，保障电力系统的稳定性和安全性。因此，对海上风力发电储能技术的可行性与效益进行深入的分析与研究，对推动清洁能源发展和能源转型具有重要的现实意义。基于此，本文针对海上风力发电储能技术的概念、发展现状以及可行性与带来的效益进行了相关描述，以供参考。

关键词：海上风力发电；储能技术；可行性；效益分析

引言

随着社会的不断进步，人们对能源的需求日益增长。传统化石能源的使用会产生大量的污染物和废弃物，同时加剧了气候变化和资源枯竭等全球性问题。因此，加快能源转型，降低对传统化石能源的依赖程度，打造能源多样化供应体系，保障国家能源安全迫在眉睫。风能是一种永不枯竭的可再生能源，风力发电技术作为一种清洁、可再生的能源形式，因具有可持续性、环保、经济性和社会效益等多重优势而得到了广泛的研究与应用。其中海上风力发电相比陆地风电具有更广阔的发展空间和更稳定的风资源，大规模的海上风电场可以提高国家清洁能源的比重，促进能源转型和可持续发展。但风速的不稳定性和间歇性对电力系统的稳定性和调度造成一定的影响，而储能系统不仅可以在一定程度上应对弃风的风险，同时也能够降低电力系统的波动性，调节电力系统频率，保障电网的稳定运行。本研究旨在对海上风力发电储能技术的可行性与效益进行分析与探讨，为海上风力发电系统的建设和运营提供一定的科学依据。

1 海上风力发电储能技术概述

海上风力发电储能技术是将海洋风力发电与储能技术相结合的一种能源利用方式。它主要包括海上风力发电装置和储能系统两部分。海上风力发电装置是指在海上建设的风力发电机组，通常由水下基础设施、风轮和发电机等组成。为确保风力发电机组在大海环境中的稳定性，其水下基础形式主要为单桩基础、多脚架基础、导管架基础、筒型基础和半潜式平台等。风轮则根据风能资源的特点选择合适的类型，如水平轴或垂直轴风力发电机。风能作用在叶片上并将其转化为机械能，驱动发电机转动，进而转化为电能[1]。随后，源源不断的电能可通过电缆输送到陆地并接入电网，可供给用户使用。

储能系统则用于解决风能发电的间断性和波动性问题，用来提高供电过程的稳定性和经济性。按照能量储存方式，储能技术可分为物理储能、化学储能和电磁储能三类[2]。这些技术可以将风能转化为可储存的能量，待需要时再转化为电能以供使用，从而实现对风电系统的平衡调节与稳态调控。海洋上的风力资源更为丰富，风能发电潜力巨大。相比陆地风电，海上风电由于距离地面较远，更加稳定，可获得更高的风能利用效率。

图1 海上风力发电联合储能技术系统结构示意图

2海上风力发电储能技术的可行性

2.1 科技创新

随着技术的发展和创新，海上风力发电储能技术的设备成本逐渐下降，能量的转化效率不断得到提高，风力涡轮机与储能技术的发展极大推进了海上风力发电储能技术的应用。

风力涡轮机的技术改进和优化设计可以提高转换效率和可靠性，减少制造成本。设计更高效的叶片形状和轮毂结构、采用新颖的发电机转子和传动系统，以及优化风轮叶片的风阻特性等措施，都可以提升风力发电系统的转换效率。储能技术是提高海上风力发电系统整体能源转换效率的关键[3]。储能技术可以平滑风电系统的输出功率，提高电力供应的稳定性和可靠性，降低风速波动的影响，提高风力发电系统的利用率。随着电池储能、氢能储能、压缩空气储能等储能技术的不断发展和成熟，储能系统的能量转换效率也在逐渐提高，结合储能设备的材料研发和制造工艺改善使得储能技术更加具有经济竞争力。

通过技术进步和创新，海上风力发电储能系统的整体效能得到提高。改进的风力涡轮机设计可以更好地利用风能资源，提高发电效率；优化的储能系统可以实现更高的能量存储密度和更好的储能效率。这将助力海上风力发电储能系统大规模的发展和降低单位发电成本。

2.2 规模化运营

随着海上风力发电储能技术的不断进步，海上风力发电储能项目的建设和运营经验积累将增加，使得运维效率得到提高。自动化监测、预测和故障检测系统可以实时监测设备状态，并及时采取维护措施，减少不必要的停机时间和人力成本。智能维保技术的应用可以提高检修和维修的效率，降低运维成本。海上风力发电储能技术规模化的应用，使得生产和供应链的规模效应日益显现。规模化生产可以降低设备和部件的制造成本，促进技术创新和工业标准的形成，提高工艺质量和可靠性，推动能源转型。此外，海上风力发电储能技术大规模的推广和应用将带动相关产业的发展，从风力涡轮机、储能设备以及电缆的制造生产、运输、安装、调试到维护等多个环节都将受益，这都将刺激经济增长，创造就业机会，并促进相关产业技术的升级和创新。

2.3 绿色发展

海上风力发电是一种清洁的可再生能源，不会产生二氧化碳、氮氧化物和颗粒物等大气污染物。与传统燃煤、石油等能源相比，海上风力发电对环境的污染更少，可有效降低温室气体排放，对应对气候变化具有重要意义。相对于陆地风力发电，海上风力发电可以利用更广阔的海域空间进行布局，降低用地成本和土地竞争压力，避免了陆地上的用地限制和对陆地生态系统的破坏。对于海洋生态系统来说，海上风力发电通常仅占据一小部分海域，对生物多样性和海洋生态环境的影响相对较小。在项目规划和设计中，可以采取相应措施减小对鱼类、鸟类和海洋生物栖息地的影响。

2.4 设施安全性

在储能技术的实际应用中，首先应对储能技术开展全面的安全评估，及时发现潜在的安全风险，积极采取各种应对措施；其次是环境因数，在储能设计过程中应充分考虑环境的温度、湿度对储能设施的运行的影响。储能设施的设计必须严格遵守安全设计标准和规范，强化规划设计的安全管理；严控工程施工验收、并网验收；提高运行维护的安全管理，制定详细的安全操作细则、强化人员培训、加强系统监控、保障系统安全、建立完善的消防系统。

3海上风力发电储能技术的效益分析

3.1 设备成本效益

海上风力发电设备的使用寿命长，维护成本相对较低。海上风力发电技术具备更加稳定的风速和更大的风能资源，与陆地风电相比，海上风力发电的单位装机容量投资较高。风力资源的丰富性弥补了一部分投资成本，而海上风电场可以采用更大规模的发电设备，提高单台风机的容量因子和装机容量，从而进一步降低单位发电成本[4]。海上风力发电储能技术可以解决风电间歇性和波动性的问题，对电力系统进行弹性调节，提高电力系统的灵活性和稳定性。

为保障电网安全，更有效地实现可再生能源消纳能力，电网配储已成为行之有效的解决方案，各省市相继推出风光强制配储政策。目前，成熟的储能技术使得设备的成本日趋下降，以锂电储能技术为例分析，其主要设备包括电池、能量管理系统、电池管理系统、变流器等，其中电池是电化学储能系统核心部分，电池组成本占比最高达67%。当前国内储能用锂电池较多采取磷酸铁锂，2023年以来碳酸锂价格大幅下降，储能电池市场已接近产能过剩，这势必带动锂电池储能成本降低。随着储能技术的进步，如锂离子电池等新型储能设备的成本逐渐降低，海上风力发电储能系统的成本也逐渐下降，使得整体发电成本更具竞争力。

图2 2013-2020年全球锂离子电池成本（单位：美元/kWh）

3.2 长期经济效益

相比传统的火力发电和燃气发电等能源方式，海上风力发电储能技术是一种无需燃料成本的清洁能源，具有更低的生产成本。与化石能源价格波动较大的情况不同，风力发电的成本主要来自于设备建造和维护成本，海上风电储能技术项目通过签订长期的售电协议，通常享有稳定的电力销售收入，有助于项目的盈利和资金回收。

海上风力发电储能技术的建设和运营需要大量的专业人员和技术工人，风力涡轮机制造、电缆安装和维护、船舶运输以及海上风电厂周边服务等将创造大量就业机会，带动相关产业的发展，促进基础设施建设和经济增长。此外，海上风力发电储能技术的发展可以减少对进口能源的依赖，提高国家的能源安全性。长期来看，这将减少对不稳定或地缘政治因素受到影响的传统能源供应的依赖。

3.3 可再生能源消纳效益

风力发电存在的间歇性和波动性问题对电力系统始终是一项艰巨的挑战，而储能系统可以将可再生能源产生的电量与实际用电需求进行平衡，通过释放储存的能量或储存多余能量来调节电力系统，有效利用可再生能源的间歇性特点，提高能源利用效率。此外，储能系统可以平滑风能的波动性，增加可再生能源系统的备用能力，减少因不可控因素导致的停机和损失，减少弃风现象，从而增加可再生能源的消纳能力，提高可再生能源系统的经济性和竞争力。

通过储能系统的调节和控制，使电力系统具有更强的灵活性和响应能力，能够快速适应电力系统负荷变化和能源供应波动，在提高电力系统灵活性和运行效率等方面发挥了重要作用[5]，促进了可再生能源的大规模应用和可持续发展。随着储能技术的不断创新和发展，其在可再生能源消纳方面的作用将进一步增强。

3.4 环境效益

海上风力发电储能技术的推广和应用是发展可再生能源、推动绿色低碳发展的重要途径，发电过程不产生二氧化碳等温室气体，减少空气污染和气候变化风险，有助于应对气候变化、减少温室气体排放，保护生态环境，降低环境健康风险，改善空气质量、保护生物多样性，对全球环境治理和可持续发展具有战略性意义。

结束语

本研究对海上风力发电储能技术的可行性与效益进行了深入分析研究。研究结果表明海上风力发电储能技术具有较高的可行性和显著的经济效益，既能在充分利用海洋资源的基础上，又能满足能源转型和减少碳排量的需求。然而，海上风力发电储能技术仍面临一些挑战，包括成本降低、储能效率提高等方面的问题，需要进一步的研发和创新。

参考文献

[1]杨晔.海上风电平台混合储能系统容量优化与能量管理方法研究[D].江苏科技大学,2022.

[2]胡磊.大型海上风力发电系统建模与仿真研究[D].青岛科技大学,2022.

[3]罗志将.海上风电和储能参与电力辅助服务的策略研究[D].南昌大学,2021.

[4]崔海林.基于虚拟惯量的海上风电储能系统模糊控制方法研究[D].江苏科技大学,2020.

[5]郭澍臻.海上风电与储能系统的鲁棒最优控制[D].河北大学,2016.