漂浮式風電場的基礎形式和發展趨勢

段金輝，李 峰，王景全，程建生

(解放軍理工大學工程兵工程學院，南京 210007)

1 前言

煤、天然氣、石油及核能等非可再生能源是目前世界能源供應的主要形式，但所帶來的環境污染(大氣污染、核殘料輻射污染等)不容樂觀。而風能作為一種清潔的可再生綠色能源，開發效率高，經濟性好，具有大規模開發條件和商業化前景，越來越受到世界各國的重視。隨著全球經濟的發展，風能市場也迅速發展起來。近幾年來，世界風能市場每年都以40%的速度增長。預計未來20～25年內，世界風能市場每年將遞增25%。現在，風能發電成本已經下降到1980年的1/5。隨著技術進步和環保事業的發展，風能發電在商業上將完全可以與燃煤發電競爭［1］。

如今，風電場主要分布在陸地和近海區域。陸上風電場起步較早，發展比較成熟，但存在嚴重的用地矛盾、噪聲污染、優良場址已逐漸開發完畢等問題，風電的開發逐漸向海上轉移。例如，德國具有經濟可開發性的陸上風電開發已接近飽和;丹麥雖繼續開發陸上風電，但其成本將高于現在常規電力價格水平，今后這些國家的風電發展重點將轉移到海上風力資源的開發［2］，同時這也是世界可再生能源領域發展的重點方向。

2 海上風電場類型

海上風力資源豐富，比陸地風力發電量大。通常，離岸10 km的海上風速要比沿岸陸上高出25%［3］。深海區域的風力資源比近海區域更為豐富，據統計，美國海域在水深60～900 m處的海上風力資源達到1 533 GW，而近海0～30 m的水域只有430 GW［4］(見圖1)。據國家發展和改革委員會能源研究所等機構的研究，中國近海10 m、20 m和30 m水深以內的海域風能資源分別約為1×108kW、3×108kW和4．9×108kW。若按照圖1中數值比例計算，深海60～900 m處的海上風能資源將約占17．4×108kW，這意味著海上風力發電發展前景廣闊。

海上風電場按所處海域位置分為淺海風電場和深海風電場。淺海風電場在歐洲，特別是在丹麥、英國等國家起步早，發展也較迅速。一般適用于淺海區域水深0～30 m處，采用固定式基礎形式，目前應用較多的是單樁式和重力式基礎。深海風電場又稱漂浮式風電場，采用漂浮平臺(或稱浮式基礎)將風電機組安置于深海區域。

圖1 海上風能資源估計圖Fig．1 Estimation of offshore w ind energy resources

目前，國內外對海上風電場的開發僅限于淺海，所用基礎結構均為固定式基礎［5，6］，對固定基礎平臺動力響應研究也比較成熟［7］。浮式基礎結構是海上風電機組基礎結構的深海結構形式，主要用于50 m以上水深海域，大多都采用海洋油氣工業常用的結構形式，安裝水深可達到1 000 m以上。由于深海風電機組承受荷載的特殊性、工作狀態的復雜性、投資回報效率等，這種基礎形式目前在風電行業仍處于可行性研究階段。漂浮式基礎的設計支配因素主要有風機的推力、上風向風機的偏航穩定性、波浪荷載及其引起的運動(固有周期)。漂浮式基礎屬于柔性支撐結構，能有效降低系統固有頻率，增加系統阻尼。根據海水深度和經濟性考慮，深海風電場一般采用漂浮式基礎。

3 漂浮式風電機組的基礎形式

浮式基礎按照基礎上安裝的風機數量分為多風機式和單風機式。多風機式指在一個浮式基礎上安裝有多個風機，但因穩定性不容易滿足和所耗費的成本過高，一般不予考慮。另一種是單風機浮式基礎，這種基礎主要參考現有海洋石油平臺而提出［8］，因技術上有參考，且成本相對較低，是未來浮式基礎發展的主要考慮方向。目前，海上風電浮式基礎結構主要有荷蘭的三浮體結構(Tri-Floater)(見圖2)，美國的張力腿結構(NREL TLP)和日本的Spar結構［9］。

盡管很多因素都會影響到浮式基礎平臺的尺寸、特性，但浮式基礎平臺的整體結構樣式仍是由靜穩性決定的。根據平臺獲取靜穩性原理將平臺分成3個大的類別。

3．1 壓載型平臺

圖2 荷蘭三浮體結構Fig．2 Tri-floater of Holland

該類平臺主要是通過在平臺的重心以下壓載重物獲得復原力矩以及較高的橫搖和縱搖慣性抵抗力，這類平臺一般有較大的吃水。Spar平臺［10］就是這類平臺的典型代表，現在多用于海上油氣田的開發。傳統式Spar平臺，其主體是一個大直徑、大吃水的具有規則外形的浮式柱狀結構，主體中一種是硬艙，位于殼體的上部，用來提供平臺的浮力。中間部分是儲存艙，在平臺建造時，底部為平衡穩定艙(見圖3)。當平臺已經系泊并準備開始生產時，這些艙則轉化為固定壓載艙，用于吃水控制。中部由系泊索呈懸鏈線狀錨泊于海底。系泊索由海底樁鏈、錨鏈和鋼纜組成。錨所承受的上拔荷載有打樁或負壓法安裝的吸力錨來承擔。

圖3 傳統Spar平臺結構Fig．3 Classic Spar p latform

將采油用的Spar平臺用于海上風機浮式基礎，其工作原理相似，也是通過壓載艙使整個系統的重心低至浮心之下來保證整個風機在水中的穩定，再通過懸鏈線來保持整個風機的位置。但結構上可進行改變和簡化，以適應風機的工況，如圖4(左)所示。

3．2 系泊纜式平臺

該類平臺主要通過系泊纜的張力獲得穩定性，張力腿(TLP)［11，12］就是這類平臺的典型代表。如圖4(中)所示。傳統張力腿平臺主體一般都呈矩形或三角形，平臺上體位于水面以上，通過4根或3根立柱連接下體，立柱為圓柱形結構，主要作用是提供給平臺本體必要的結構剛度。平臺的浮力由位于水面下的沉體浮箱提供，浮箱首尾與各立柱相接，形成環狀結構。張力腿由1～4根張力筋腱組成，上端固定在平臺本體上，下端與海底基座模板相連或直接連接在樁基頂端。有時候為了增加平臺系統的側向剛度，還會安裝斜線系泊索系統，作為垂直張力腿系統的輔助。海底基礎將平臺固定入位，主要有樁基或吸力式基礎兩種形式。

圖4 海上風電場浮式基礎概念圖Fig．4 Foating support p latform concept diagram of offshore w ind turbines

張力腿式平臺是利用繃緊狀態下的錨索產生的拉力與平臺的剩余浮力相平衡的。張力腿式平臺也是采用錨泊定位的，但與一般半潛式平臺不同。其所用錨索繃緊成直線，不是懸垂曲線，鋼索的下端與水底不是相切的，而是幾乎垂直的。用的是樁錨(即打入水底的樁為錨)或重力式錨(重塊)等，不是一般容易起放的抓錨。張力腿式平臺的重力小于浮力，所相差的力量可依靠錨索拉力來補償，而且此拉力應大于由波浪產生的力，使錨索上經常有向下的拉力，起著繃緊平臺的作用。張力腿式平臺自1954年提出設想以來，迄今已有50年歷史。

3．3 浮箱式平臺

該類平臺主要利用載重水線面面積通過分布浮力獲得復原力矩，大型平底駁船就是這類平臺的典型代表，如圖4(右)所示。壓載型基礎、系泊纜式基礎和浮箱式基礎都是海洋油氣工業中常見的結構形式。依照石油平臺結構形式，圖5列出一些風電浮式基礎概念圖，并從左到右標記為1～6。

圖5 深海浮式基礎概念圖Fig．5 Concept diagram of floating deepwater platform

浮式基礎結構組成要素主要包括錨索、錨定地點、浮箱或壓載艙。每種要素的不同形式能組合成很多種浮式基礎形式，比如TLP平臺結構中可以采用吸力式錨或者重力式錨，Spar平臺結構中張索數目可以根據設計情況而變化等。但浮式基礎和錨泊系統的設計在滿足性能穩定的同時必須兼顧整個系統的設計成本。就經濟性而言，浮箱式基礎是利用載重水線面面積通過分布浮力來獲得復原力矩，結構簡單且生產工藝成熟，單位吃水成本最低，經濟性較好。TLP平臺看似結構簡單成本較低，但由于結構產生遠大于結構自重的浮力，浮力抵消自重后的剩余浮力與預張力平衡，預張力作用在錨泊系統上，使錨索時刻處于張拉的繃緊狀態，將會造成錨泊系統和錨固基礎形式設計的復雜性［13］。

4 漂浮式風電場的發展趨勢

4．1 單機容量大型化

風力發電裝備的大型化，是近年來世界海上風能利用技術發展的一個新的趨勢。風電機組自1980年以來，裝機容量及尺寸從容量100 kW轉子直徑17 m發展到容量5 MW轉子直徑超過100 m。未來幾年，漂浮式風電場的開發必將帶動風電機組繼續朝向大型化方向發展。圖6為自1980年以來風電機組大型化發展歷程圖。

圖6 風電機組大型化發展歷程圖Fig．6 W ind turbine technology development process

4．2 低成本、無方向性的漂浮式垂直軸風力發電機

的運用

相對于水平軸風力發電機，垂直軸風力發電機有其自身的優點。前者安裝維護不方便，且風機重心高，風險性大。后者齒輪箱在底部，重心低，穩定，維護方便，并且降低了成本。垂直軸風力機不必迎風調節系統，可轉換360°方位中任何方向風能為電能，主軸轉動方向固定。其葉片的尖速比要比水平軸的小，氣動噪聲小，應用區域增加。漂浮式垂直軸風機集成了垂直軸技術和海上浮動平臺技術，大大降低了成本并提高了離岸風力渦輪的發電效率，圖7為各種不同的垂直軸風力機的示意圖［14］。

圖7 各種形式垂直軸風力機示意圖Fig．7 Various vertical－ axis w ind turbines

4．3 建立非并網風電多元化應用系統

漂浮式海上風電場遠離陸地，將電力連接到電柵系統必須要修建很長的海底電纜，電纜越長，成本越高。所謂非并網風電，簡言之，就是風電的終端負荷不是電網，風電可以直接應用于某些特殊的工業生產。優勢體現在:a．簡化風電并網運行所需的大量輔助設備，大幅降低成本;b．風電經過處理可以直接應用于某些特定產業，變成工業生產的“重要原料”;c．減輕風電并網對電網系統的影響［15］。

漂浮式風力發電技術不僅是為了充分利用海上風力資源，更重要的是為日益增多的海上活動提供能源，非并網風電多元化應用必將使世界從中受益匪淺。遠洋輪船、深海遠程潛艇、遠程科學考察團等可以在大海上直接獲取電能;開發海底石油和礦藏的工程隊也可以從海上風力發電站獲得充分的電能;電能的保障為開發遠海旅游項目提供了可能;非并網風電可以直接應用于海水淡化、氯堿、有色金屬冶煉及非金屬加工等大范圍高耗能產業。

5 結語

在風力發電迅猛發展過程中，深海風電場比近海風電場更具有發展潛力和優勢。深海風電場充分利用海洋資源，但投資過大、技術要求過高、平均發電成本過高仍是制約深海發電快速發展的瓶頸。現在，深海區域風力發電仍然處于早期發展階段，隨著深海風電開發技術的進步，深海風能必將成為世界可再生能源的重要組成部分。我國深海區域風力資源豐富，風電的開發潛力巨大，應積極支持并開展深海風電場研究。借鑒國際上近期研發海洋平臺或深海風電場，探討并提出具有前沿性和先進性的深海風電場建設方案，對我國海上風電產業的健康持續發展是有益的。

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