一、概況

風力發(fā)電是世界上發(fā)展最快的綠色能源技術(shù)，在陸地風電場建設(shè)快速發(fā)展的同時，人們已經(jīng)注意到陸地風能利用所受到的一些限制，如占地面積大、噪聲污染等問題。由于海上豐富的風能資源和當今技術(shù)的可行性，海洋將成為一個迅速發(fā)展的風電市場。歐美海上風電場已處于大規(guī)模開發(fā)的前夕。我國東部沿海水深50m以內(nèi)的海域面積遼闊，而且距離電力負荷中心（沿海經(jīng)濟發(fā)達電力緊缺區(qū)）很近，隨著海上風電場技術(shù)的發(fā)展成熟，風電必將會成為我國東部沿海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要能源來源。海上風電場的風速高于陸地風電場的風速，但海上風電場與電網(wǎng)聯(lián)接的成本比陸地風電場要高，綜合來看，海上風電場的成本和陸地風電場基本相同。海上風電場的發(fā)電成本與經(jīng)濟規(guī)模有關(guān)，包括海上風機的單機容量和每個風電場機組的臺數(shù)。鋪設(shè)150MW海上風電場用的海底電纜與100MW的差不多，機組的大規(guī)模生產(chǎn)和采用鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)可降低成本。目前海上風電場的最佳規(guī)模為120～150MW。在海上風電場的總投資中，風電機組占51%、基礎(chǔ)16%、電氣接入系統(tǒng)19%、其他14%。丹麥電力公司對海上風電場發(fā)電成本的 研究 表明，用國際能源局（IEA）標準方法，按目前的技術(shù)水平和20年設(shè)計壽命計算，估測的發(fā)電成本是0.36丹麥克朗(人民幣0.42元或0.05美元)/kWh。如果壽命按25年計算，還可減少9%。

海上風電場的開發(fā)主要集中在歐美地區(qū)，其發(fā)展大致可分為5個不同時期：

1、1977～1988年，歐洲對國家級海上風電場的資源和技術(shù)進行 研究 ；

2、1990～1998年，進行歐洲級海上風電場 研究 ，并開始實施第1批示范計劃；

3、1991～1998年，開發(fā)中型海上風電場；

4、1999～2005年，開發(fā)大型海上風電場和研制大型風力機；

5、2005年以后，開發(fā)大型風力機海上風電場。

二、海上風環(huán)境

1、風速剖面圖

海面的粗糙度要較陸地小的多，因此風速在海平面隨高度變化增加很快，通常在安裝風機所關(guān)注的高度上，風速變化梯度已經(jīng)很小了。因此通過增加塔高的方法增加風能的捕獲在某種程度上不如陸地有效。由于海上風邊界層低，所以海面上塔高可以降低。

陸地、海上風速剖面圖比較

2、風湍流特性

湍流度描述的是風速相對于其平均值的瞬時變化情況，可以表示為風速的標準偏差除以一段時間（通常10min）風速的平均值。自由風湍流特性對風機的疲勞載荷大小影響很大。由于海上大氣湍流度較陸地低，所以風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的擾動恢復(fù)慢，下游風機與上游風機需要較大的間隔距離，即海上風場效應(yīng)較大。通常岸上湍流度為10%，海上為8%。海上風湍流度開始時隨風速增加而降低，隨后由于風速增大、海浪增高導(dǎo)致其逐步增加。除此之外，湍流度還隨高度增加而幾乎呈線性下降趨勢。

海上風速與湍流度關(guān)系

海面上高度與湍流度關(guān)系

3、水深與海浪

水深和海浪是影響海上風電場發(fā)展的2個重要自然因素。水深不僅直接影響塔基尺寸和質(zhì)量，而且影響海浪產(chǎn)生載荷。海浪隨水深而增高，水深同時使海面到塔基的塔桿增加，從而導(dǎo)致塔基受到很大的翻滾力矩。國外 研究 表明，浪高隨風速增加基本呈線性增加，當風速大于20m/s后，海浪達到極限值大約為4m，這是因為較淺的水深限制的緣故，浪高的極限值受水深的制約而不是風速。

三、海上風力發(fā)電技術(shù)

1、風機支撐技術(shù)

海上風機的支撐技術(shù)主要有底部固定式支撐和懸浮式支撐2類。

1）底部固定式支撐

底部固定式支撐有重力沉箱基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)3種方式。

（1）重力沉箱基礎(chǔ)

重力沉箱主要依靠沉箱自身質(zhì)量使風機矗立在海面上。Vindeby和TunoeKnob海上風電場基礎(chǔ)就采用了這種傳統(tǒng)技術(shù)。在風場附近的碼頭用鋼筋混凝土將沉箱基礎(chǔ)建起來，然后使其漂到安裝位置，并用沙礫裝滿以獲得必要的質(zhì)量，繼而將其沉入海底。海面上基礎(chǔ)呈圓錐形，可以起到減少海上浮冰碰撞的作用。Vindeby和TunoeKnob風電場的水深變化范圍在2.5～7.5m之間，每個混凝土基礎(chǔ)的平均質(zhì)量為1050t。該技術(shù)進一步發(fā)展，用圓柱鋼管取代了鋼筋混凝土，將其嵌入到海床的扁鋼箱里。該技術(shù)適用于水深小于10m的淺海地區(qū)。

（2）單樁基礎(chǔ)

單樁基礎(chǔ)由一個直徑在3～4.5m之間的鋼樁構(gòu)成。鋼樁安裝在海床下18～25m的地方，其深度由海床地面的類型決定。單樁基礎(chǔ)有力地將風塔伸到水下及海床內(nèi)。這種基礎(chǔ)的一大優(yōu)點是不需整理海床。但是，它需要防止海流對海床的沖刷，而且不適用于海床內(nèi)有巨石的位置。該技術(shù)應(yīng)用范圍水深小于25m。

（3）三腳架基礎(chǔ)

三腳架基礎(chǔ)吸取了海上油氣工業(yè)中的一些經(jīng)驗，采用了質(zhì)量輕、價格低的三腳鋼套管。風塔下面的鋼樁分布著一些鋼架，這些鋼架承擔和傳遞來自塔身的載荷，這三個鋼樁被埋置于海床下10～20m的地方。

底部固定式支撐方式

2）懸浮式支撐

以懸浮式支撐有浮筒式和半浸入式2種方式，主要應(yīng)用于水深75～500m的范圍。

懸浮式支撐方式

（1）浮筒式支撐

浮筒式基礎(chǔ)由8根與海床系留錨相連的纜索固定在海面上，風機塔桿通過螺栓與浮筒相連。

（2）半浸入式支撐

主體支撐結(jié)構(gòu)浸于水中，通過纜索與海底的錨錠連接，該形式受波浪干擾較小，可以支撐3～6MW、旋翼直徑80m的大型風機。

2、風機設(shè)計技術(shù)

降低風機離岸產(chǎn)生的額外成本是海上風能技術(shù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)，其中海底電纜和風機基礎(chǔ)成本占主要部分，它受水深和離岸距離影響大，而受風機尺寸影響不大。因此對額定功率的風場應(yīng)采用大功率風機以減少風機個數(shù)，從而減少基礎(chǔ)和海底電纜的成本。目前一般認為海上風場裝機容量在100～150MW是比較經(jīng)濟的。國外已研制出3.6MW的海上風機，其旋翼直徑為104m，適合于水深10m的地方。海上風機是在現(xiàn)有陸地風機基礎(chǔ)上針對海上風環(huán)境進行適應(yīng)性“海洋化”發(fā)展起來的。具有以下特點：

1）高翼尖速度

陸地風機更多的是以降低噪聲來進行優(yōu)化設(shè)計的，而海上則以更大地發(fā)揮空氣動力效益來優(yōu)化，高翼尖速度、小的槳葉面積將給風機的結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)帶來一些設(shè)計上的有利變化。

2）變槳速運行

高翼尖速度槳葉設(shè)計，可提高風機起始工作風速并帶來較大的氣動力損失，采用變槳速設(shè)計技術(shù)可以解決這個問題，它能使風機在額定轉(zhuǎn)速附近以最大速度工作。

3）減少槳葉數(shù)量

現(xiàn)在大多數(shù)風機采用3槳葉設(shè)計，存在噪聲和視覺污染。采用2槳葉設(shè)計會帶來氣動力損失，但可降低制造、安裝等成本，因此也是 研究 的一個方向。

4）新型高效發(fā)電機

研制結(jié)構(gòu)簡單、高效的發(fā)電機，如直接驅(qū)動同步環(huán)式發(fā)電機、直接驅(qū)動永磁式發(fā)電機、線繞高壓發(fā)電機等。

5）海洋環(huán)境下風機其他部件

海洋環(huán)境下要考慮風機部件對海水和高潮濕氣候的防腐問題；塔中具有升降設(shè)備滿足維護需要；變壓器和其他電器設(shè)備可安放在上部吊艙或離海面一定高度的下部平臺上；控制系統(tǒng)要具備岸上重置和重新啟動功能；備用電源用來在特殊情況下置風機于安全停止位置。

6）探索降低成本的新方案

新近提出的一種10MW近岸大型概念風機能有效減少基礎(chǔ)數(shù)量，降低海上風場成本。按12m/s額定風速，要產(chǎn)生10MW的輸出，主轉(zhuǎn)子直徑需要約200m，主轉(zhuǎn)子外緣速度達到56m/s，主轉(zhuǎn)子葉片弦長3m，葉片數(shù)量10個。主轉(zhuǎn)子采用張線固定，其主軸迎風頂端支撐在直徑300mm的支撐塔桿上，塔桿固定在海床上；主軸末端由小型飛艇懸掛和海面上浮船絞盤鋼索拉住保持平衡，或采用海面上三角懸浮支撐方式。這樣，主轉(zhuǎn)子就可以隨來風變化繞頂端旋轉(zhuǎn)。主旋翼葉片由7段組成，最外段安裝有4個直徑3.6m的風機。

歐洲未來風力發(fā)電增長的很大部分將來源于海上，美國能源部也制定風力資源深海發(fā)展戰(zhàn)略，將海上油、氣開發(fā)技術(shù)經(jīng)驗與近岸淺水（0～30m）風能開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，開展深海（50～200m）風能開發(fā) 研究 ，包括低成本的錨定技術(shù)、平臺優(yōu)化、平臺動力學 研究 、懸浮風力機標準等。

四、結(jié)束語

歐美的海上風能 研究 表明，淺海風力發(fā)電不存在主要技術(shù)問題，利用現(xiàn)有技術(shù)，海上風機可以生存，發(fā)展和 研究 主要是集中在降低成本和驗證可靠性方面，海上風機問題關(guān)鍵是經(jīng)濟性問題，環(huán)境保護可能也是一個限制因素，預(yù)計10～15年后，深海風能利用技術(shù)將得到應(yīng)用。我國從大連、山東到浙江、福建、廣東、海南一帶，風力條件得天獨厚，如果能夠加以開發(fā)利用，既可以緩解電力供應(yīng)緊張形勢，又能大幅度降低火電的二氧化碳排放。對于能源緊缺的東部地區(qū)來說，無疑是個很好的發(fā)展方向。

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