海上風力發電機組的水密性能研究*

徐一波 ， 鄢敉君 ， 李 林

（江西師范高等專科學校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

1875年，法國巴黎的火力發電廠完成了人類史上的第一次發電行為，伴隨著全球經濟的發展，電能已經成為保障社會正常生產生活的基本前提。火力發電作為最早的發電方式，首次發電迄今已100多年，憑借其成本低廉、發電難度低、技術成熟、建造周期短暫、對環境和廠區面積的要求低、相關產業鏈完善等優勢一直占據著全球電力市場的領頭羊位置。然而，這種發電方式的弊端也逐漸凸顯，對環境的長久負擔是其最突出的問題。在火電的發電過程之中，為確保燃煤與空氣充分反應，盡可能完全燃燒，首先要把燃煤制成小顆粒，從而增大它的表面積。但該過程會產生大量粉塵，與此同時，鍋爐設備的運轉與維護過程中也會產生大量粉塵。而且，燃煤在燃燒過程中會釋放大量的CO2和SO2等有害氣體，這些廢氣即使經過處理后排放至大氣，依舊會加劇溫室效應，破壞環境。此外，火電的能量轉換過程中，轉化媒介一般都是水，這也意味著該過程中會消耗大量水資源，會令淡水資源的匱乏問題愈發嚴峻[1]。

如圖1所示，火力發電依舊牢牢占據著能源領域的主力位置，但分布式清潔能源發電取代傳統化石能源發電是減緩全球變暖、減少碳排放、力爭可持續發展的必然結果[2-3]。在各清潔能源中，風能具有極大的發展前景，從圖1中可以發現，在我國能源領域中，風電的占比不高。但它天然具備經濟成本較低、風力資源充足、對自然環境的破壞較小等許多優點[4]，也是最有希望接替傳統化石能源成為新的世界能源支柱的產業之一。全球風能協會（GWEC）估計，在未來三年內，全球風電新增裝機的年復合增長率可達4%，亞歐及北美等洲依舊處在帶動全球風力發電行業發展的先鋒地位。

圖1 2021年1—6月我國發電量（GW）

2 海上風電發展現狀

風力發電有陸上風力發電和海上風力發電兩種方式。由于大陸的地形環境不一，復雜多變，不同地表形態下，風速受到的削減程度也不一致，在山脈、高樓大廈、大片的樹林等處都可能出現風切變現象，造成風電機組的風輪無法均勻受力，從而損傷葉片。而且這一過程使得葉片振動，若軸承的固有頻率與激勵力頻率一致，還會出現共振，損傷風輪軸承，繼而損傷風電機組的傳動系統。而海上風電則沒有這方面的顧慮，絕大部分海平面不存在復雜地貌，風阻較低，風速變化程度較小，整體的風速也更高。風能公式如下式（1）所示：

式中，W表示風能，ρ表示空氣密度，v表示風速，S表示截面積。

從上式中可以發現，風能與風速的立方成正比，這也意味著海上風速高的優勢能帶來更高的發電量和發電設備利用小時數。

就我國而言，海岸線長達1.8×104多千米，共有島嶼6×103多個。東南地區沿海地帶及其附近島嶼，在國內的近海風能資源區中首屈一指。該地區的風能密度超過了200 W/m2，而在附近的島嶼甚至能超過300 W/m2，80%以上的時間處于有效風力之中。而且該地區的風速在一年中有7×103h~8×103h能出現超過8 m/s的狀態，在6 m/s~7 m/s的狀態也能達到4×103h。但該地區往西沿內陸方向，多為丘陵地貌，冬季冷空氣從北向南流動，難以完全流通，夏季臺風的風速在距海岸線5×104m處就會銳減32%。也就是說，東南地區僅在沿海地帶向內幾十千米的區域及附近島嶼才擁有較好的風能資源。在向內不足100 km的區域內，風能資源就會急劇降低，風能密度迅速銳減到50 W/m2之下，成為國內風能資源最小的地區。而在我國東南地區的南麂島、嵊泗島、大陳島、臺山島、平潭島等諸多島嶼，均擁有充足的風能資源。其中，臺山島的風能資源在國內獨占鰲頭，其風能密度可達534 W/m2，有效風電出力的時間占90%。

而遠海風能資源遠遠大于近海風能資源，對于國內的遠海風能，目前尚無完整的統計，但我國對遠海風電的發展已經成功邁出了第一步。2021年，廣東陽江建成了世界第一部抗臺風型漂浮式海上風力發電機組，并于2021年12月7日成功并入配網進行發電，意味著我國在該領域的研發制造已經走在了全球前列。漂浮式海上風力發電技術是遠海風電的核心技術，相較于需建造在海床的近海風電，該技術能在利用遠海海域高質量風能時，確保不對近海捕撈漁業造成不利影響。

不論近海風電還是遠海風電，都涉及了水密性封裝問題，良好的水密性保障是海上風機設備正常運行的基礎。對于使用漂浮式海上風力發電技術的遠海風電來說，不論葉片還是機艙以及其他組件，均是在陸上組裝之后，再運到海上進行對接安裝工作，可采用浮托安裝法，通過碼頭裝船、駁船設計選擇、定位、緩沖、檢測等技術來實現[5]。風機在并網發電后將一直處于空氣鹽度和濕度都比較大的環境中，水密性保護就成為延長風機受用壽命的核心。

3 水密性保護解決方法

水密性保護大主要是為了防范水汽的滲入，同起重機一樣，在風機金屬結構表層下的凝露也會與空氣中的水分產生化學反應，繼而出現腐蝕現象，在發電設備外殼始終暴露在空氣中，不可避免地會接觸水汽的情況下，可以通過對金屬結構使用涂料來進行防腐蝕保護，并對葉片等結構進行密封保護[6]。而對于電路中各元器件的水密性保護，可以使用環氧樹脂進行電子封裝，這種材料相對而言水密性會更強，還可以制成封裝構件，確保各電子元器件的正常工作[7]。此外，長期浸泡在鹽分頗高的海水中的海底電纜防腐蝕問題，也是海上風電水密性研究的重點，當前的防護措施是使用瀝青進行隔水，以達到防腐的目的。然而，當下我國生產與使用的海纜對作為防腐涂層的瀝青還沒有統一的執行標準和牌號，為確保輸電線路持續正常運行，這一問題有待解決[8]。在“互聯網+”的社會發展背景下，可充分利用互聯網的優勢、將其與風電行業相結合，使用大數據管理，實時監測海上風機發電設備運行情況，使用信息化手段來增強電氣設備的可靠性監測，及早發現發電機組、變電站、輸電線路及其他設備在運轉時出現的隱患。在此過程中，可使用模擬法、解析法、混合法等分析方法對電力設備進行可靠性分析，并針對海上風電的發電機組、變電站、輸電線路等部分建立完善可靠性信息的實時管理系統，確保系統平穩運行，提早發現水汽可能導致的線路短路、腐蝕老化等問題[9]。最后，建立完善的海上風電現代化運維系統，通過“互聯網+海上風電”，達到實時反饋、發現問題、解決問題、避免大的經濟損失的目的[10]。

4 結語

綜上所述，水密性保護是海上風電的基礎性問題，目前，海上風電的整體架構尚不完善，但其發展潛力巨大。隨著時代的不斷發展，會不斷地涌現各種新問題，解決問題的過程也是幫助海上風電發展的過程。契合可持續發展的分布式清潔能源，才是未來能源領域的主力軍。