海上風電基礎研究現狀與可持續發展分析

孫緒廷 楊丹良 馬純杰

(1.國家電力投資集團山東分公司，山東 濟南 250000;2.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266000； 3.濰坊市建筑設計研究院有限責任公司，山東 濰坊 261000)

1 概述

隨著世界經濟形式的發展以及社會文明的不斷進步，能源問題逐漸顯現。發展高效清潔能源也成為各國經濟持續發展的必要前提。我國海岸線漫長，海上風能資源豐富。根據2009年國家氣候中心評估結果，離岸50.0 km范圍內可以開發風能資源為7.58億kW，如此豐富的海上風能資源為我國的海上風電事業發展提供了極大可能。經過多年發展，我國海上風電已經逐漸步入正軌。然而如何高效地利用海上風能資源，已成為了新能源發展的使命與挑戰。海上風電機組基礎型式大致可分為重力式基礎、樁基礎、吸力筒基礎及浮式基礎等。國內外學者對海上風電基礎進行了一些研究。王胤(2018)[1]對砂性土地基中吸力筒基礎沉貫性狀進行了模型試驗與理論分析。遲春廣(2017)[2]對海上風電基礎發展趨勢進行了分析。Fellenius(2015)[3]對海上風機鋼管樁基礎沉貫過程中土塞性狀進行了研究。Kelly等(2006)[4]對吸力筒基礎水平循環特性進行了模型試驗研究。本文以海上風電基礎為研究對象，對其發展概況及基礎型式進行分析探討。

2 海上風能資源發展

自1991年全球第一座海上風電場在丹麥開始運行以來，海上風電發展經歷了二十余年的歷史。根據歐洲風能協會官方網站Wind Europe最新發布的統計數據，歐洲在2018年共安裝了260萬kW海上風電，比2017年增長了18%，累計裝機達到1 850萬kW。相比歐洲各國，我國國內風電市場也正以迅猛速度前進發展，截至目前為止，中國11個沿海省市中有9個省市擁有海上風電發展規劃，根據海上風電規劃，全國海上風電規劃總量已經達到75 GW，重點分布于江蘇、福建、廣東等沿海城市，海上風能開發前景廣闊。目前全國已并網海上風電裝機容量僅次于英國和德國，位居全球第三位。在此背景下，海上風電基礎的選型對海上風電發展具有重要影響。

3 海上風電基礎型式

3.1 重力式基礎

重力式基礎通過自身的質量使得風機矗立于海面上。相比其他基礎形式，重力式基礎結構簡單，受到海床的影響不大，具有良好的穩定性。

世界上早期的海上風電場都是采用重力式，Thornton Bank海上風電場是世界上第一個使用重力底座的商業海上風電場。該風電場所在位置水深約為12.0 m～27.5 m。該風電場使用重力底座，鋼筋水泥結構，中空，建造和運輸重量在1 200 t左右。安裝后使用細沙或碎石填滿，總重量超過6 000 t。

3.2 樁基礎

單樁基礎即為單根鋼管樁基礎，其結構特點是自重輕、構造簡單、受力明確[5]。通過工廠預制可以保證管樁的質量。一般來說，單樁基礎的直徑為3.0 m～4.5 m，材質為鋼材。樁基礎是一種十分經濟可靠的基礎形式，代表工程有英國London Array海上風電場等。

單樁基礎是目前世界上應用最多的海上風機基礎形式。截至2017年年底累積數據顯示，歐洲共有3 270臺單樁基礎的風機，占總數的81.7%。

3.3 吸力筒基礎

吸力筒基礎由筒體和外伸段兩部分組成，筒體為底部開口頂部密封的筒型，外伸段為直徑沿著曲線變化的漸變單通。海上風電中常用到的吸力筒基礎一般為鋼筋混凝土預應力結構和鋼結構形式。相比其他基礎形式，吸力筒基礎有以下優點：造價低、施工速度較快，可回收利用等。

吸力筒基礎的發展離不開裙板基礎、吸力錨和吸力樁的發展[6-8]。20世紀70年代，挪威北海油田開始使用裙板重力式基礎，1973年由Phillips石油公司負責安裝的Ekofisk Doris儲油罐是首個裙板基礎結構物。2002年丹麥在Frederikshavn海上風電場的建設中為一臺V90風電機組安裝了直徑為12 m的桶形基礎，首次將這一基礎形式應用于大型風電機組中[9]。

4 海上風電基礎的適用范圍

面臨復雜迅猛的發展態勢，各種各樣的基礎設計方案可謂層出不窮。海上風機在對基礎選擇時要考慮許多方面的因素。首先，海上風機基礎投資占總投資的20%～30%。其次，海洋環境與陸地環境存在較大區別，施工難度相對較大。

4.1 樁基礎

樁基礎主要用于包含深厚軟弱土層的大多數土質，適用水深為10.0 m～25.0 m的軟土地區。由于我國海上風電場都位于近海淺水海域，理論上更適合單樁基礎，但實際來說單樁基礎在我國風電中應用尚不普及。主要原因是缺少單樁的施工器械，同時潮間帶較淺的水深也會對施工船造成影響。

4.2 吸力筒基礎

隨著海上風電事業的蓬勃發展，海上風機逐漸由淺海向深海發展。相比近海海域，深海海域具有范圍更廣、風力資源更豐富且不與航道沖突等優勢。因此，涌現出許多新的基礎形式。如吸力筒基礎，一般來說，這種基礎形式更適用于水深在60.0 m以內的海域。其主要通過自重和負壓沉貫可大大縮短施工時間，提高施工的經濟性。

4.3 浮式基礎

浮式基礎由浮體部分、張力腱系統兩大部分組成。浮體上部與風機塔筒連接，下部伸出若干懸臂浮箱結構提供浮力并與張力腱實現連接。張力腱為聚酯纜，下部與垂向受力錨連接。目前在挪威西南部海岸10 km處有一臺實驗式機組飄浮基礎投入運行。據開發Hywind項目的公司介紹，Hywind風力發電機組可適用于水深120 m～700 m的海域。

5 結論與展望

海上風電基礎型式對海上風電事業發展具有重要影響。針對不同海域，風電機組基礎形式不同，其安裝方法與控制體系也各不相同。