日本漂浮式風電技術現狀及未來發(fā)展方向

伍紹博，尹海卿，張開華，時蓓玲

（中交第三航務工程局有限公司，上海200032）

日本漂浮式風電技術現狀及未來發(fā)展方向

伍紹博，尹海卿，張開華，時蓓玲

（中交第三航務工程局有限公司，上海200032）

漂浮式風電是未來海上離岸風電的重點發(fā)展方向。日本海域面積大，風資源豐富，漂浮式風電起步較早，受福島核電站爆炸事故影響，日本決意棄核，轉而大力發(fā)展漂浮式風電，目前已建成多座漂浮式風機的樣機并投入運行，取得了良好的經濟效益。文章對日本漂浮式風電的發(fā)展概況、目前已實施的重點項目及其創(chuàng)新技術和未來的發(fā)展方向進行論述。日本在漂浮式風電的研究、設計、施工走在了世界前列，其技術可為我國漂浮式風電發(fā)展提供良好的參考借鑒作用。

漂浮式風電；浮式升壓站；下風向風機；液壓風機

0 引言

日本擁有全球第六大海域面積，是風資源非常豐富的國家，根據日本官方測算，日本的風能儲量為1 880 GW，其中，280 GW為陸上風電，余下1 600 GW全部在水深大于100 m的海上（圖1），這部分風機必須全部采用漂浮式。

按目前技術水平，日本的1 600 GW的離岸風資源中，378 GW是技術上可行的，如果考慮電網的需求和能力等限制因素，有96 GW是商業(yè)和技術上都可行的。

圖1 日本海上風力分布Fig.1Offshore wind force distribution in Japan

由于2011年福島核電站爆炸事件，日本啟動了棄核計劃，旨在2040年全面關停日本的核電站。目前核電占日本供電量的30%（50座核電站，44.6 GW），該部分電量將全部由新的綠色能源替代。受益于棄核計劃，按照日本官方制定的目標，到2050年，日本的離岸風電將達到37 GW，其中，19 GW為固定式風電，18 GW為漂浮式風電。具體的計劃實施步驟如圖2所示。

圖2 日本海上風電實施計劃Fig.2Plan of Japan offshore wind power

日本漂浮式風電研究已經開展近20 a，現已處在世界領先地位，本階段，日本產業(yè)經濟省已經累計完成了220億日元的投資，以用于浮式風電的研究和試驗，下一步計劃投資310億日元用于浮式風電研究，目的是達到1 GW的浮式風電裝機容量。

1 日本漂浮式風電項目進展

按照項目的進程，日本漂浮式風電發(fā)展可分為3個階段，分別為2011年的風鏡（wind Lens）項目，2012年實施的樺島（Kabashima Island）項目，2011年規(guī)劃，2013年開始實施樣機建設的福島（Fukushima）一期、二期漂浮式風電項目。

2011年12月風鏡項目由九州大學再生能源動力學部（Division of Renewable Energy Dynamics）實施，選址在福岡市博多港離岸600 m，該項目采用2個直徑18 m，功率為3 kW的小型風機（還布置了多塊太陽能電池板），浮式基礎為小型的漂浮式浮筒、桁架組合結構，采用懸鏈線式系泊，樣機測試時間為1 a，并未參與并網發(fā)電。

嚴格來說，風鏡項目為科研性質的項目，其浮式基礎結構和風機形式等均處于探索驗證階段。相比之下，樺島項目和福島一期、二期漂浮式風電的技術較為成熟，且均并網發(fā)電，以下將重點介紹分析。此外，日本三井物產集團和東京大學聯合提出的5 MW張力腿式（TLP）風機概念也逐步成熟，下階段可能開展樣機建設，本文也將對此漂浮式風機概念進行分析。

1.1 樺島（Kabashima Island）項目

樺島項目為日本環(huán)境省資金支持的首個漂浮風機項目[1-2]，由戶田建設、富士重工、九州大學、日本海上技術安全研究所聯合體實施，浮式基礎形式為立柱式（圖3）。該項目從方案設計到風機安裝歷時2 a，2012年采用100 kW下風向風機，2013年安裝2 MW風機。項目選址位于日本南部長崎縣五島列島，當地水深近100 m，該風機的總體規(guī)模較挪威Hywind（同為立柱式漂浮風機）為小，但由于特殊的結構設計形式和安裝方法，被認為是未來立柱式風機技術發(fā)展的一次重要探索。

圖3 樺島項目立柱式風機基礎結構Fig.3Structure of Kabashima island FWT spar

該項目創(chuàng)新點如下：

1）采用立柱式基礎，立柱上半部分采用鋼結構，底部采用預應力混凝土結構作為配重。

2）在岸上實現風機的整體安裝，并采用駁船運輸至海上安裝地點（全程風機傾倒置于駁船上），安裝過程采用浮吊和安裝導架輔助風機扶正（圖4）。

圖4 樺島項目風機扶正Fig.4Installation of Kabashima FWT

3）風機的監(jiān)控系統完備，其設計浪高8.4 m（50 a一遇），但剛運行不久即遭遇2012年第16號臺風Sanba，臺風浪高達9.5 m，風機的運動、結構受力數據得到完整的記錄，為后續(xù)風機設計提供了寶貴的數據。

由于立柱式風機為壓載穩(wěn)定體系，故在類似項目Hywind中，挪威國家石油公司采用了鋼結構制造風電基礎，壓載通過底部的壓載水倉實現。日本在設計樺島項目時另辟蹊徑，通過預應力混凝土增加配重取代傳統壓載水倉。由于混凝土的浮容重較大，不需考慮內部腐蝕問題，無需壓載控制系統，因此大幅降低了制造成本。但因為壓載量不可調整，無法通過逐級控制壓載實現風機自行在海中扶正，故制作了特殊的安裝導架，采用浮吊輔助扶正。按照歐洲的經驗，類似的立柱式風機一般都采用基礎先行濕拖至現場，調整壓載扶正后再在海上吊裝塔筒和風機，作業(yè)窗口時間長，成本高昂。樺島項目在岸上完成風機整體式拼裝，海上扶正后直接拖航至現場安裝的方法較為簡易，且對環(huán)境條件要求較低，有效地控制了風險和成本。

1.2 福島（Fukushima）漂浮式風電一期、二期項目

福島風電項目由日本產業(yè)經濟省出資，東京大學、三菱重工、日立、三井造船、清水建設、日本海事學會、丸紅株事會社、新日鐵等單位參與，基本集中了日本在海洋工程、機電工程、建設工程方面的專家和智庫。

福島未來項目分為兩期[3-4]（詳細內容見表1），第一期稱為福島先鋒項目，目標是建設1座漂浮式風力發(fā)電平臺、1座漂浮式升壓站。一期的漂浮式風機為半潛式，風機為日立集團研制的2 MW下風向風機，漂浮式升壓站為改進型立柱式。目前一期項目已經全部完成，據公開資料，一期漂浮式風電平臺的有效發(fā)電時間比例高達88%，遠高于歐盟提出的35%～45%標準，并高于挪威Hywind項目的50%。風機自2013年11月建成以來，遭遇多次臺風，結構和系泊系統均為安全狀態(tài)。

表1 日本福島風電一期、二期情況Table1Fukushima FWT project phase I&phase II

福島未來二期項目包括1臺7 MW的V形半潛式風機和改進型立柱式風機。據已公開的資料，V形半潛式基礎的設計理念為通過無支撐結構來提高整個平臺的結構疲勞強度，同時減小海洋環(huán)境載荷。二期項目所采用的風機均為7 MW，為三菱重工研發(fā)，均為液壓式，目前V形半潛式風機已經安裝完成，改進型立柱式平臺在設計制造過程中。

1.2.1 福島未來一期項目（半潛式風機創(chuàng)新點）

1）采用四柱式，風機布置在平臺的中心（圖5），未采用與美國Windfloat半潛式風電平臺類似的主動壓載控制系統。

2）擴大基礎下部結構體積（圖6），并在底部周邊安裝制蕩板區(qū)域（類似舭龍骨），把大量壓載水置于下部，增加了結構的穩(wěn)性，同時增大了垂蕩、橫搖阻尼。

圖5 福島一期風電項目風機整體拖航Fig.5Fukushima phase I FWT floating transportation

圖6 福島一期風電基礎下部結構Fig.6Sub-Structure of Fukushima phase I FWT

3）采用下風向風機，減小葉片質量，提高發(fā)電效率。

4）電力線纜直接與浮式升壓站相連。

1.2.2 福島二期項目

福島二期項目中已建成的半潛式風機基礎采用V形平臺，其創(chuàng)新點如下：

1）V形基礎把橫撐放在底部，兼做壓載水倉，水線面小，有效降低了波浪影響，增加了垂蕩阻尼（圖7、圖8）。

圖7 福島二期V形基礎結構尺寸Fig.7Fukushima phase II FWT sub-structure size of shape V

圖8 福島二期V形基礎拖航Fig.8Floating transportation of Fukushima phase II FWT sub-structure of shape V

2）V形布置有利于基礎平臺在碼頭側的靠泊，便于風機安裝和未來的維護。

3）采用了三菱重工7 MW（Sea Angle）液壓式風機。

4）針對浮式風機錨鏈系統的極端荷載破壞和疲勞問題，新日鐵住金集團開展了大量荷載和疲勞試驗，對錨鏈的結構行為進行了三維數模分析。

5）解決了水下22 kV立式電纜（Riser Cable）的安裝難題。

1.3 三井物產張力腿（TLP）風機項目

按照歐洲、美國現有的張力腿式漂浮風機項目（荷蘭的Blue H、德國的GICON、美國的Pela-STAR、西班牙的TLPwind等），風機在海底的錨錠系統一般采用重力式、吸力錨、樁基礎、大抓力錨等形式，這些基礎都要在風機浮運至現場前預先安裝，且在風機安裝過程中，需要在現場將張力腿（Tendon）和基礎進行連接。這對于大型設備、作業(yè)窗口、潛水作業(yè)、連接結構設計等提出了較高的要求，且經濟性較差，安裝精度控制難度大，施工風險高[5]。鑒于此，日本三井物產集團（Mitsui）提出采用風機-錨錠一體式系統，實現風機-錨錠海上整體拖航，錨錠系統下沉安裝的方案，如圖9、圖10所示。

圖9 Mitsui風機-錨錠系統分離Fig.9Separation of anchor system of Mitsui FWT

圖10 Mitsui風機錨錠系統著床Fig.10Implantation of anchor system of Mitsui FWT

該風機總體排水量為602 0 t，壓載量為1 000 t，張力腿的初始張力為2 080 t[6-7]，風機通過6根（3組）鋼絲繩與底部混凝土基礎連接，目前該型風機的各項水動力試驗和計算工作已由東京大學完成。該型風機具有以下創(chuàng)新點：

1）采用風機-錨錠一體化設計理念，大幅簡化張力腿風機的安裝流程，降低對船機設備的依賴和作業(yè)窗口的限制。

2）采用重力式基礎（混凝土），降低風機基礎制造成本。

3）風機基礎上的張力腿連接點位于浮筒頂端（水面以上），便于張力控制和后期運營維護。

4）浮筒和橫撐大部分位于水下，受波浪、海流影響小。

由于目前該型風機仍處于試驗階段，尚存一些問題需在樣機安裝前解決，如重力式基礎的地基處理、張力腿系統的安裝過程控制等。

2 日本漂浮式風電發(fā)展方向

2.1 新形式漂浮式風機基礎

日本在漂浮式風機基礎的研制方面走在了世界前列，近年來，企業(yè)、高校、研究機構提出了許多獨創(chuàng)的漂浮式風機基礎[8-10]，表2對其中得到資金支持或已開展相關試驗和分析的主要幾個概念進行了介紹。

2.2 漂浮式風電場建設

漂浮式風電場選址一般位于開敞的外海，離岸距離遠，水深大，在深水區(qū)建設升壓站是風電項目的重要環(huán)節(jié)。目前，歐盟提出的離岸升壓站設計方案均采用導管架平臺結構。在福島一期項目中，日本獨創(chuàng)性地提出并設計建設了世界上首臺浮式25 MVA，66 kV升壓站。

表2 近年來日本提出的漂浮式風電概念Table 2The concept of FWT put forward by Japan in recent years

該升壓站的設計方案為改進型立柱平臺（Advanced Spar）。平臺下部為大型混凝土塊體，中部為浮箱，通過混凝土壓載確保穩(wěn)性（圖11）。上部結構設有靠船平臺，頂部為直升機平臺和變電設備艙室（圖12）。在塔柱上集成了海洋氣象、運動、波浪、海流等一系列監(jiān)控和通信裝置。

圖11 浮式升壓站在干塢內預制Fig.11Floating substation prefabricated in the dry dock

圖12 浮式升壓站海上拖航Fig.12Offshore floating transportation of floating substation

浮式升壓站設計建設過程中，日立集團設計了專用抗傾變壓器單元，并在傾斜振動臺上進行試驗，古河電氣工業(yè)集團研制水下高壓電纜及接頭，解決了浮動式平臺輸變電問題。

2.3 新一代風機

2.3.1 下風向風機

下風向風機有別于順風向風機（圖13），驅動葉片轉動的風從機艙側進入（圖14）。日立集團研制的多臺下風向風機已經在陸上風電、海上風電中成功應用（樺島項目、福島一期均采用日立的下風向風機），根據相關的文獻報道，該型風機具有以下特點：

1）有效避免葉片和風塔碰撞。

2）更輕更柔的葉片（同樣發(fā)電功率，葉片減重達30%）。

3）不需要額外的轉角驅動電機。

4）提高發(fā)電機冷卻效率。

5）提高發(fā)電效率。

6）對于丘陵地帶的陸上風機，發(fā)電效率和可靠性更高。

圖13 下風向風機和順風向風機Fig.13Downwind and upwind turbines

圖14 下風向風機機艙繞流CFD模擬Fig.14CFD simulation of downwind nacelle

日立集團在2014、2015年的年報中多次提及該型風機的相關技術，下風向風機被認為是未來陸上、海上風機的理想形式之一。

2.3.2 液壓式風機

常規(guī)風機的理念為葉片驅動軸進入變速箱，變速箱輸出軸驅動電機轉軸發(fā)電。液壓式風機由葉片轉動帶動液壓泵，液壓泵驅動液壓油進入液壓馬達再驅動后部發(fā)電機（圖15、圖16），省去機械式變速箱[12]。該型風機已經在日本福島二期的V形漂浮式風機中成功應用，是目前在運營功率最大的風機。

圖15 三菱重工液壓風機概念Fig.15Hydraulic wind turbine of Mitsubishi

圖16 三菱重工7 MW液壓風機（Sea Angle）結構Fig.16Structure of hydraulic wind turbine（Sea Angle）of Mitsubishi 7 MW

液壓式風機具有以下特點：

1）無機械變速箱，減少了風能損耗和機械磨損。

2）承載力大，特別適用重載工況（切斷風速更高，發(fā)電效率提升）。

3）自動化程度高，可靠性好。

4）運轉噪音低。

目前，三菱重工正在研發(fā)功率更大的液壓式風機，希望在日本遠海漂浮式風電中大規(guī)模推廣。

3 結語

日本海上漂浮式風電發(fā)展勢頭迅猛，在環(huán)境省、產業(yè)經濟省的經費支持下，其國內的企業(yè)、高校和研究機構投入了大量的研究資源，目前已提出了許多新的概念，且已經實現了多臺樣機的測試試驗及并網發(fā)電。總體上有如下創(chuàng)新：

1）漂浮式風電基礎創(chuàng)新，成功實施不同形式漂浮風電的樣機試驗。2）海上升壓站設計創(chuàng)新，實現離岸輸變電。3）開發(fā)下風向風機、液壓式風機，滿足未來漂浮式風電的需求。

4）從設計方案上考慮建設成本控制。

我國作為今后海上風電的建設主力軍，未來走向深遠海，采用漂浮式風機將是大勢所趨，日本在這方面的研究、設計、建設、成本控制經驗可為我國相關技術的發(fā)展提供參考借鑒作用。

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[12]Offshore Wind Turbine Project Development Department.Mitsubishi heavy industries wind power technologies[R].Tokyo:Mitsubishi Heavy Industries LTD.,2012.

Status and future development direction of Japan floating wind turbine theology

WU Shao-bo,YIN Hai-qing,ZHANG Kai-hua,SHI Bei-ling
（CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Floating wind turbine(FWT)is the significant direction of offshore wind power development in the future.The maritime zone of Japan is relatively large and wind resource is abundant,the research of FWT had been carried out very early in Japan.Since the Fukushima nuclear power plant disaster in 2011,Japan decided to abandon its nuclear program,and turned its attention to FWT.At present,many FWT prototypes had been installed and put into operation,and achieved good economic results.In this paper,we discussed the development of FWT in Japan,the current key projects,the innovative technology and the future development direction.The research,design and construction of FWT in Japan is in the forefront of the world,and its technology can provide a good reference for the development of FWT in China.

floating wind turbine;floating substation;downwind turbine;hydraulic wind turbine

TM614

A

2095-7874（2017）06-0108-07

10.7640/zggwjs201706024

2016-11-02

伍紹博（1985—），男，湖北黃岡人，工程師，船舶海洋工程專業(yè)。E-mail：shaobo.wu@gmail.com