作者简介： 王勇智，自然资源部第一海洋研究所，正高级工程师，博士，研究方向为海岸带综合管理
通信作者： 刘涛，中海石油(中国)有限公司北京研究中心，高级工程师，硕士，研究方向为海洋资源开发利用与保护
1 海上风电用海特征
风电是一种新能源和清洁能源，在国家“双碳”目标的政策推动下，风电与太阳能发电等新能源快速发展。海上风电是指安装在海洋上的风力涡轮机，利用海上风能资源产生电力。海上风力资源比陆地更丰富，且沿海地区多为发达区域，电力缺口较大，因此，海上风电可就近消纳。
本文所指的海上风电是符合“双10”“双30”或“单30”政策的海上风电场，不涉及潮间带风电。海上风电的用海设施主要有海上风力发电机、海上升压站、海底电缆，其用海方式主要为透水构筑物和海底电缆管道，对海洋生态环境影响有限，同时具备兼容海上养殖等多产业、多空间的复合型发展的潜力。
2016年以前，海上风电一般采用5MW以下机型，单个海上风电场规模通常在200~300MW之间，每个场址内的风机数量至少50台。风机数量多，导致场区内海底电缆总长度较长，用海面积偏大。2016年后，大容量风机技术进入快速应用阶段，风机桨叶长度和风机高度都不断增加。2024年6月26日，我国自主研制的18MW风机投入使用。大容量风机意味着相同装机容量的风电场址内，风机数量更少，风机和电缆用海面积减小。
海上风电的宗海图具有点、线、面结合的用海特征。由于场址内风机布置较多、电缆交错排列，海底电缆也有保护范围，单个风电场址的用海包络面积也较大，用海排他性较强。
2 海上风机单机容量发展
早期海上风机单机容量相对较小，通常在1.5~5MW之间。 2010年6月，我国首个海上风电场上海东海大桥海上风电场并网发电，风电场由34台3MW风机组成。2020年5月，我国自主研发的8MW海上风电机组在福清兴化湾海上风电场二期项目完成吊装。2020年7月，我国自研的10MW海上风电机组成功并网发电，是当时亚太地区第一和全球第二的单机容量。2023年5月，明阳阳江青洲四海上风电场项目完成国内首台12MW海上风电机组安装。2024年6月，我国自主研制的18MW半直驱海上风电机组在广东省汕头市风电临海试验基地顺利并网发电，再次刷新已并网风电机组单机容量最大的世界纪录。2024年8月28日，由明阳智能自主研制的全球单机容量最大、风轮直径最大的20MW风机在海南成功吊装。
从国内海上风电市场采购和装机来看， 7MW以上机型占比超过90%，大型化趋势明显。 目前，7MW以下的机型已逐步淡出市场，7~9MW机型的采购占比超50%，成为目前市场主流风机机型，9~11MW机型的市场占有率约为16.11%，而11MW及以上大型风机的市场占比已经超过20%，风机大型化趋势明显。
3 海上风电场区用海面积控制
3.1现行管理要求
海上风电场涉及的用海类型和方式较为明确，场内布置包含风机、海上升压站、场内电缆和场区送出电缆。风机在布置时，既要考虑到最大限度地利用风能，减少尾流损失，又要遵循节约集约用海原则。2016年6号文提出“海上风电的规划、开发和建设，应坚持节约集约的原则，提高海域资源利用效率。充分考虑地区差异，科学论证，单个海上风电场外缘边线包络海域面积原则上每10万千瓦控制在16平方公里左右，除因避让航道等情形以外，应当集中布置，不得随意分块。规划建设海上风电项目较多的地区，风电场应集中布局，统一规划海上送出工程输电电缆通道和登陆点，节约集约利用海域和海岸线资源”。 《风电场工程微观选址技术规范》(NB/T10103-2018)提出 “风电机组布置可根据风能资源条件及风电场形状采用不等间距布置方案……”和“风电场整体平均尾流损失宜小于8%，单台风电机组的尾流损失宜控制在15%以内”。 以上两条规定，形成了2024年底前海域使用管理部门审核海上风电用海面积的基本依据。2024年12月，自然资源部印发《关于进一步加强海上风电项目用海管理的通知》(以下简称加强风电用海管理通知)，实施海上风电项目用海节约集约控制指标，进一步控制海上风电用海规模 。 此外，海上风电场的其他限制性因素，如油田、海岛、保护区等，也是影响海上风电场平面布置的因素。
3.2单机容量增加对节约集约用海提出新考验
本研究对收集到的渤海部分海上风电项目用海面积进行统计分析，表明单机功率越大，单个风电场的单位功率占海面积越小。 当风机的单机容量为2~4MW时，均满足“单个海上风电场外缘边线包络海域面积原则上每10万千瓦控制在16平方公里左右”的要求，小容量风机的海上风电都尽量压缩风机的间距，勉强达到上述面积控制要求。然而，为了提高风电场的整体发电效率，降低风机安装电缆施工和风电场运维总体成本，2022-2023年7MW和8MW机型成为主力装机机型，至2024年主流风机单机容量已经超过12MW。单机容量大幅增长后，相比小单机容量的风机，相同总装机容量场区内，所需的风机数量大大减少，风机布置密度也下降。
统计表1中7MW及以上风机的风电场的用海包络面积与所在场区装机容量，发现平均每16.19万kW的包络面积为16km2，最小值为每10.77万kW的包络面积为16km2，最大值为每26.13万kW的包络面积为16km2，其中有4个风电场址大于每20万kW的包络面积为16km2。也可以理解为平均每10万kW的包络面积为10.97km2，最小值为每10万kW的包络面积为6.12km2，最大值为每10万kW的包络面积为15.47km2。同理可得表2中5MW及以上风机的风电场的用海包络面积与单个场区装机容量统计，达到平均每19.02万kW的包络面积为16km2，最小值为每13.79万kW的包络面积为16km2，最大值为每32.0万kW的包络面积为16km2，其中有5个风电场址大于每20万kW的包络面积为16km2，即平均每10万kW的包络面积为9.15km2，最小值为每10万kW的包络面积为5.0km2，最大值为每10万kW的包络面积为11.60km2。可见，采用大容量风机后，场区包络面积可轻松达到2016年6号文中规定的总装机容量与包络面积的控制要求。而且，对比表1和表2，可见福建的海上风电单机容量更大，相同装机容量的场区，福建海上风电包络面积更小。因此，随着风机容量的进一步加大，2016年6号文已经起不到约束面积的作用，随着风机容量加大，包络面积限值可适时进一步缩小。因此，2024年12月30日实施的加强风电用海管理通知顺应大容量风机应用的趋势，其中的海上风电项目用海节约集约控制指标中也针对不同容量机型，提出了不同的用海面积控制要求。此外，用海节约集约控制指标中还提出了单位装机容量风电场面积、海域利用率、投资强度等指标进 一步优化海上风电节约集约用海。
3.3大容量风机有利于减小整体尾流
对表1和表2中海上风电场的整体平均尾流进行统计分析，由于区域风能资源差异性、单机容量等因素，渤海和福建沿海海上风电单机容量和平均尾流损失存在一定差异性。在渤海内，采用6MW风机的风电场中50%近海风电场的平均尾流损失系数都在10%以上，采用8MW风机的风电场中40%近海风电场的平均尾流损失系数都在10%以上，采用10MW风机的风电场中20%近海风电场的平均尾流损失系数都在10%以上。在福建沿海，采用6~8MW风机的风电场中60%近海风电场的平均尾流损失系数都在8%以上，采用8~13.6MW风机的风电场中40%近海风电场的平均尾流损失系数都在8%以上，采用13.6MW以上风机的风电场中25%近海风电场的平均尾流损失系数都在8%以上。由此可见，随着大容量风机的应用，风电场区整体尾流损失系数呈下降趋势，场区整体风能利用效率逐渐提高。
3.4场址规划容量需根据实际调整
海上风电场址在规划时，都会明确给出每个场址的规划装机容量。在5MW小容量风机时代，每个海上风电场区内风机数量较多，整体尾流损失一般在8%以上。然而，随着大容量风机的应用，单个场址内布置的风机数量大大减少。例如，在“十二五”或“十三五”期间规划的海上风电场址，单个场址总装机容量基本为300MW，若采用3~5MW的小机型风机，需要布置60~100台风机，但随着10MW以上机型应用后，相同场区内只需要布置30台或更少风机即可达到场址总装机容量要求，且场址的整体尾流系数低于《风电场工程微观选址技术规范》(NB/T10103-2018)中规定的“风电场整体平均尾流损失宜小于8%”的要求。因此，虽然单个场区的规划装机总容量也在增加，但单机容量增加更快，单个场区风机数量呈减少趋势，
因此，海上风电项目应充分利用场址海域面积，风机布置遵循应布尽布原则，在场区内布满风机，且确保整体尾流系数略低于8%，即《风电场工程微观选址技术规范》(NB/T10103-2018)的要求，且场区的实际总装机容量可超出规划装机容量，以达到节约集约用海的目的。鉴于大容量风机应用后，场区规划总装机容量可能是限制单个场区内风机数量的不利因素，不利于节约集约用海和企业效益最大化。因此，建议每个海上风电项目在风机平面布置时，不应受限于场区规划容量，单个海上风电场区规划容量应改为最低总装机容量要求，建设单位应将整体尾流系数控制在合理范围内的前提下，尽可能多布置风机，以利于节约集约用海，并以最终实际总装机容量作为核准条件。
此外，随着风机单机容量不断提高，单个海上风电场区的平均单机功率和单位面积装机容量也应计入集约用海评估指标。单机功率是单台风力发电机在正常工作条件下能够输出的最大电功率，由风力发电机的设计参数决定，但不限于叶片长度(即扫掠面积)风速以及发电机本身效率等因素。单位面积装机容量是指在一定海域范围内每单位面积上所安装的风力发电装置的总装机容量，可用来衡量特定海域内风电场的密集程度或者空间利用率。
4 海上风电单机用海面积
按照《海籍调查规范》，目前现有风机基础结构形式均为透水式，故海上风机用海方式应属透水构筑物用海，透水用海构筑物外界址点的界定应以透水构筑物最外缘的垂直投影来确定。风机的叶片属于整个风机的一部分，随着风机单机装机容量的不断提升，单个风机叶片的半径会逐渐超过风机塔架中心至风机基础的外缘外扩50m后的长度，故应将风机运行时叶片旋转形成的垂直投影圆形的外缘包络线作为外界址点来界定。然而，现行的单个风机用海面积的界定方法，实际上是将叶片与风机基础割裂开，当将海上风机作为透水构筑物用海来界定用海面积时，未考虑风机叶片工作时叶片外缘垂直投影的影响，因此，《海上风电开发建设管理暂行办法》(国能新能[2010]29号)中单个风机用海面积的界定方法与技术规程的要求存在一定差距。例如，已经在海南安装的明阳智能制造的20MW海上风机，风轮直径可覆盖292m，其运行期间桨叶垂直投影面积远超桩基外缘外扩50m形成投影圆形的面积，这也是导致《海上风电开发建设管理暂行办法》中单机用海面积界定方法不能适应未来海上风机发展需要的主要原因。
为了适应海上风电机组单机容量逐渐增大的趋势，2024年12月30日实施的加强风电用海管理通知中将单机用海面积界定优化为“海上风电项目风机部分用海方式界定为透水构筑物用海，用海范围包括塔架部分和塔架外扩一定距离的保护范围，具体以塔架中心点(风机系泊点)为圆心，以圆心至风机叶片投影最外缘点为半径的圆为界”。上述单个海上风力发电机用海面积界定方法的优点是无论海上风力发电机的叶片直径如何加长，都能够保证风机叶片工作时，叶片末端的垂直投影形成的圆形区域始终位于单个风机的用海范围内，从而有效地保护了整个风机，也符合《海籍调查规范》中有关透水构筑物用海面积界定的原则。
5 结论
基于渤海和福建沿海部分已建设或报批海上风电的单个场址装机容量与用海包络面积等数据统计分析，采用7MW及以上机型后，渤海风电场可做到平均每10万kW的平均包络面积为10.97km2，福建沿海采用机型容量更大，海上风电可做到平均每10万kW的平均包络面积为9.15km2。因此，2016年6号文的海上风电场用海面积控制要求随着大容量风机应用已经略显落后。为此，2024年12月发布实施的加强风电用海管理通知顺应了大容量风机发展的趋势，对不同容量的风机提出了单位装机容量风电场面积的管控要求，并提出海域利用率和投资强度等指标以规范海上风电节约集约用海。同时，大容量风机应用后，单个海上风电场区规划总装机容量也限制了海上风电项目节约集约用海，与小容量风机相比，大容量风机在满足场区总装机容量后，场区的平均尾流系数远低于《风电场工程微观选址技术规范》(NB/T10103-2018)中的“风电场整体平均尾流损失宜小于8%”的限值，造成场区内部分海域面积的浪费。因此，建议海上风电项目场区规划装机容量以规划最小装机容量为基准，在实际风机平面布置时，按照“应布尽布”的原则，确保整体平均尾流系数略低于8%，并将单机功率和单位面积装机容量纳入集约用海评估指标。
