美国“试水”海上风力发电

缅因州卡斯汀的浮式涡轮机是目前美国唯一的海上风力发电厂。来源:美联社

据专家称，发展海上风力发电所面临的环境和技术挑战是完全可以克服的。

缅因州的卡斯汀镇似乎是一个被时间遗忘的地方。17世纪初，人们开始在这里定居。今天，街道两旁排列着具有数百年历史的建筑。小船在小港口摇晃，而由粗糙石板建造的白色灯塔在一座高山上“站岗”。

然而，在离海岸500米的海面上，未来的气息在灰色的薄雾中隐约可见。一个淡黄色的风力涡轮机在波浪中摇摆，它的薄叶片缓慢旋转。这个20米高的家伙是去年6月建造的，是一个实验性的漂浮设计，只有实际尺寸的1/8。它可以提供高达20千瓦的电力，基本上足够6个美国家庭使用。然而，因为它是美国唯一的海上风力发电场，这座名为“沃尔特努斯”的建筑吸引了广泛的关注。

在过去的几十年里，其他国家如比利时、英国、丹麦和德国已经在他们的海岸线周围建造了大型涡轮发电厂。然而，由于环境问题、官僚主义和政治上的反对，美国发展海上风力发电的努力毫无结果。然而，事情可能很快就会改变。生态学研究表明，精心规划的风电场不会对鸟类或海洋哺乳动物造成重大伤害。商界人士和政界人士对开发和投资海上风力发电也越来越感兴趣。

今年5月，美国能源部向新泽西州、俄勒冈州和弗吉尼亚州的三个示范项目拨款。一些州*也在为他们建造海上风电场的雄心铺平道路，而开发商表示，他们最早可以在明年开始在海洋中安装涡轮机。

理论上，这种潜力是巨大的。包括难以到达的深水区，美国近海预计将产生4万亿瓦的电力，足以提供该国目前电力需求的4倍。然而，在这一领域迅速发展之前，支持者必须证明海上风力发电在经济上可以与其他能源竞争，而且州*和联邦*在监管海上风力发电项目方面制定的各种复杂的法规必须取消。

"我不认为我们在这方面没有顾虑。"长期关注美国国家可再生能源实验室海上风力发电的研究人员沃尔特·穆西尔(Walt Musial)表示，我们需要证明这在实践中是可行的。

离岸测试

波士顿能源管理公司建立的科德角海上风电场是发展海上风力发电面临的最大挑战。该项目位于卡斯廷西南350公里处，旨在充分利用马萨诸塞州科德角附近楠塔基湾的强风和相对平静的水域。

科德角海上风力发电场项目包括130个涡轮机，每个大约80米高，总面积65平方公里。这家能源管理公司表示，当风力发电厂建成后，它将拥有468兆瓦的电力，这将为科德角以及附近的玛莎葡萄园岛和楠塔基岛提供75%的电力。

然而，十多年来，这个项目一直面临着强烈的反对。包括非营利组织在内的一些组织认为，该项目将损害鸟类和其他野生动物，提高消费者承担的电价，并威胁进入私人领空的飞机。几乎所有的司法判决都站在科德角离岸风力发电场一边，其发言人马克·罗杰斯表示，即使上诉迫在眉睫，该项目仍计划在2015年启动。

科德角海上风电场是美国第一个完成重大环境评估的海上风力发电项目。它对海洋哺乳动物的影响可能更难预测。研究人员和环保人士尤其担心，在离岸风力发电场的建设阶段，当巨大的钢梁被撞进海底时，这种声音将相当于一次小爆炸，足以干扰一些海洋哺乳动物的行为。

为了避免严重的问题，如损害海洋哺乳动物的听力，科德角近海风力发电场需要至少有一个观察员来监测每个涡轮机的安装。风电场建设和环境项目经理雷切尔·帕切特(Rachel Pachter)表示，如果海洋哺乳动物在安装地点750米范围内，该公司将推迟打桩。

一旦建成，海上风力发电场甚至可以给海洋哺乳动物带来好处。研究人员发现，许多海上涡轮机可以变成人工鱼礁，而今年发布的一项研究发现，海豹利用跟踪数据寻找在德国和英国运行的风力发电场涡轮机。英国圣安德鲁斯大学的海洋生物学家黛博拉·拉塞尔领导了这项研究，她说海豹可能喜欢风力发电厂提供的船只保护。

除了对野生动物的担忧之外，美国近海风力发电场的支持者也不得不解决飓风问题。尽管麻省大学风能中心主任、机械工程师詹姆斯·曼威尔(James Manwell)表示，海上结构(如石油平台)的经验为涡轮机安装提供了信心。然而，加强涡轮机所需的额外钢材增加了成本。该公司必须决定如何平衡加强风力发电厂以应对罕见飓风的成本和收益。

浮动涡轮

对于开发商来说，一个大问题是在美国沿海建设风力发电厂是否有经济意义。任何与满足环境法规或应对严重风暴相关的额外努力都将增加建设成本，海上风电场正处于与丰富廉价天然气竞争的阶段。

为此，开发商正在试验不同的设计，希望减少开支。通过在海底插入一根巨型管道建造的单桩结构通常是最便宜的，并且已经过很好的测试。然而，一些开发商正试图建造一个多桩结构，在中心柱周围有三根桩，类似于海上石油和天然气平台的结构。随着涡轮机变得越来越大，这些多桩设计可能比单桩更坚固、更便宜。

另一个解决方案是让涡轮机浮动，就像研究人员在卡斯汀做的实验设计一样。缅因州大学的工程师Habib Dagher和他的同事将空心混凝土管道固定在涡轮机的底部。涡轮机在波浪中非常稳定，它通过3根钢缆与海底的锚相连。这种设计可以在深水中操作，但是直接将单桩插入海底是不切实际的。达格尔说，这种建筑仍然相对便宜，因为相关部件可以在岸上生产，然后运输到目的地。

然而，他和他的同事必须证明，实际大小的浮动结构在大风暴中能够直立和稳定。安装示范涡轮机后测量的数据表明，该设计性能良好。达格尔说，即使在时速80公里的强风中，涡轮机也只倾斜了5.9度。这表明实际尺寸的设备可以在每500年一次的强风中保持稳定。

据Musial al称，10年前，浮动式涡轮机没有受到太多关注，但现在它们正成为严重的竞争对手。自2012年以来，安装在葡萄牙海岸的一个2兆瓦实验性浮动涡轮已经成功运行。日本也有两个浮式涡轮机连接到电网。与此同时，美国能源部对这一设计表示了兴趣:今年能源部资助的三个示范项目之一将在俄勒冈州库斯比海岸350米深处部署五个6兆瓦的浮动涡轮机。

政治问题

据专家称，发展海上风力发电所面临的环境和技术挑战是完全可以克服的。特拉华大学海上风力发电政策专家Willett Kempton认为，最大的障碍是各种复杂的政策规则。它们将减缓项目的进度，并给开发商和投资者提供不充分的确定性。

其他项目也受到政治、政策和成本方面的担忧。例如，在缅因州，一项涉及挪威能源公司挪威国家石油公司(Statoil)的1.2亿美元的风力发电场交易，在承诺在州长选举期间对其他开发商重新开放竞标程序后，以失败告终。

肯普顿强烈赞扬欧洲国家为促进海上风力发电发展而提供的能源政策和财政激励。例如，丹麦设定了到2020年用电量的一半由风力发电的目标。为了实现这一目标，有必要将电网连接到海上风电场，并为这些设备的电力设定合理的价格。

与美国联邦*提供的短期税收抵免政策相比，这种长期支持对风力发电行业更具吸引力，因为前者的消失在很大程度上取决于中国委员会在选举周期中的突发奇想。

一些美国州开始为相关项目提供更好的支持，以鼓励投资者和开发商。例如，马里兰州对开发商的补贴极大地鼓励了早期在马里兰州海岸建造大型风力发电厂的努力。

然而，目前，成功发射涡轮机的最大机会在于美国北部。

今年9月，作为明年年中示范项目的一部分，开发商“深水风”获得了联邦*在罗德岛海岸安装涡轮机所需的最终批准。波士顿能源管理公司希望尽快建立一个更大的科德角海上风电场。

为了实现这一目标，马萨诸塞州的新贝德福德港正加紧完成最后的准备工作，以确保它有能力操作一台1400吨的起重机将涡轮机运送到船只上，然后再运送到科德角近海风力发电场。与此同时，大型挖掘机一天24小时运行，以加深港口。

马萨诸塞州清洁能源中心海上风力发电项目主任比尔·怀特正在管理新贝德福德项目。在他看来，在接下来的几个月里，“我们将知道科德角离岸风力发电场能否成为现实。”(燕杰)

《中国科学报》(国际版，第3版，2014年10月9日)

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