海上风电机组基础结构-第一章

2010年全世界风电装机容量布局图
1.1.2 国内海上风电发展概况
我国海上风能资源概况
在海上风电方面，中国东部沿海风能资源可开发 量50米高度约为200GW，70米高度约为500GW。
我国海上风电场现状
目前我国已建成的海上风电总装机容量约250MW。
上海东海大桥海上风电项目是我国首个大型海上 风电项目，总装机容量 102MW ，采用 34 台 3MW 风电机组，2010年6月全部并网发电，其二期项目 2011 年 10 月并网运行 1 台单机容量 5MW 的样机， 为我国首台并网运行的最大单机容量风电机组。 江苏如东龙源海上风电场，是我国首个潮间带试 验风电场，总装机容量 32MW ，共安装 16 台海上 试 验 机 组 ， 分 别 为 6 台 1.5MW 风 电 机 组 、 6 台 2.0MW 风 电 机 组 、 2 台 2.5MW 风 电 机 组 和 2 台 3.0MW风电机组，2010年9月28日全部投产发电。
1.1.1 国外海上风电发展概况
德国
德国是欧洲地区风力发电的主阵地，由于缺乏合适的场地，德国陆上风电 场的新建工作将在今后十多年中减缓，从而转向海上风电场的强制建设， 目前已在12英里开外的深水地区，以及近海地区都建造了风电场。
德国海上风电目标
根据德国2002年公布的战略纲要，到2030 年的长期目标中，包括德国海岸地区、专 属经济区（EEZ）和国土外围12英里范围 内将达到 2.5×104MW 的安装容量，产生 70~85TWh 的电力，达到 1998 年电力需求 的 15%。最近德国提出到 2050 年 80% 的电 力来自可再生能源、60% 的能源来自可再 生能源。
加Biblioteka Baidu大
加拿大目前准备建设的最大的 风电场是在安大略湖的Trillium 风电场，装机容量为414MW。
美国
美国在2012年1月才在政策上基 本确定支持尝试建立海上风电 场，目前在风能资源丰富的东 海岸已经陆续有相关计划得到 支持，比较大的是鳕鱼岬 （Cape Cod）风电场，预计装 机容量可达454MW。
风能概况
风能的特征
风能、太阳能和生物质能发展速度最快，产业前景 也最好。风力发电相对于太阳能、生物质能等新能 源技术更为成熟、成本更低、对环境破坏更小，被 称为最接近常规能源的新能源，因而成为产业化发 展最快的清洁能源技术。
全球风电装机发展
全球风电装机发展
全球风电装机容量
截止 2011 年底，全球风电装 机容量达到了 2.38×105MW ， 累计装机容量实现了 21% 的 年增长。全球 75 个国家有商 业运营的风电装机，其中 22 个国家的装机容量超过 1GW， 风电正在以超出预期的发展 速度不断增长。目前，丹麦 用电量的 28% 来自风电，西 班牙用电量的 16%来自风电， 德国用电量的8%来自风电， 欧洲风能发展目标 风电已成为欧洲国家能源转 型的重要支撑，这为全球能 欧洲风能利用协会将在欧洲的近海岸地 源结构转型树立了榜样。 区进行风能开发利用，希望在 2020 年风 能发电能够满足欧洲居民的全部用电需 求。
德国海上风电场。
1.1.1 国外海上风电发展概况
英国
2003年底，英国3个战略海域（利物浦海湾、沃什湾，以及泰晤士河） 的15个工程总装机容量逾7000MW，英国计划到2030年开发建设 4.8×104MW的海上风电。
荷兰
2010年达到1500MW装机容量的目标已经实现。仅在爱尔兰东海岸地 区正在进行另外6座电场的调研，拟达到1000MW的装机容量。
1.2 海上风电机组基础结构的分类及组成
海上风电基础组成
海上风电机组通常由塔头（风轮与机舱）、塔架和基础三部 分组成。
海上风电基础的特征
其中海上风电场基础对整机安全至关重要，其结构具有重心 高、承受的水平风力和倾覆弯矩较大等受力特点，在设计过 程中还须充分考虑离岸距离、海床地质条件、海上风浪以及 海流、冰等外部环境的影响，从而导致海上风电机组基础的 造价约占海上风电场工程总造价的20%~30%。在充分考虑 海上风电场复杂环境条件的基础上，慎重选择海上风电机组 基础结构型式和合理设计是海上风电场建设的关键
欧洲总体状况
到2011年底，欧洲已建成53个海上风电场，分布在比利时、丹麦、芬 兰、德国、爱尔兰、荷兰、挪威、瑞典和英国海域，装机容量达到 3813MW，另有5603MW的风电场在建。
1.1.1 国外海上风电发展概况
北美海上风电概况
北美海上风电发展较晚，目
前为止还没有较大规模的风电 场真正投入运行。
江苏省海上风电开发布局图
1.1.1 国外海上风电发展概况
国外海上风电总体情况
目前国际上已建成且投入商业运行的海上风电场基本上 都在欧洲，这主要是由于欧洲基本不受台风的影响，发 展海上风电场具有优势条件。自20世纪80年代起，欧洲 开始积极探讨海上风电开发的可行性。
瑞典
瑞典于1990年安装了第一台实验性海上风电机组，离岸 350m ，水深 6m ，容量为 220kW ，该机组 1998 年停运。 1997 年开始在海上建立 5 台 600kW 的风电机组。 2000 年， 兆瓦级风电机组开始在海上应用示范，并规划筹建11座 海上风电场，至2008年已建成15座海上风电场。
应用状况 是目前使用最为广泛的一种基础型式，国外现有 的大部分海上风电场，如丹麦的Horns Rev和Nysted、爱尔兰的 Arklow Bank、英国的North Hoyle、Scroby Sands和Kentish Flats 等大型海上风电场均采用了这种基础。
三脚架基础
三脚架基础组成
该基础吸取了海上油气开采中的一些 经验，采用标准的三腿支撑结构，由 圆柱钢管构成，增强了周围结构的刚 度和强度。三脚架的中心轴提供风机 塔架的基本支撑，类似单桩结构
适用条件
适用于比较坚硬的海床，具有防冲刷 的优点。
应用状况
德国的Alpha Ventus海上风电场首批海 上机组中的6台以及我国金风科技潮间 带 2.5MW 试验机组如东项目都采用了 三角架基础。
导管架基础
导管架基础组成
是一个钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，基 础为三腿或四腿结构，由圆柱钢管构成。基础通 过结构各个支角处的桩打入海床。
1.1.1 国外海上风电发展概况
丹麦
丹麦发展海上风电也较早，全国有6%的用电来自近海风电场。1991 年丹麦在波罗的海洛兰岛西北沿海附近建成了世界上第一个海上风
电场，安装11台450kW风电机组，1995年又建成10台500kW海上风
电机组，2003年还建成了当时世界上最大的近海风电场，共安装80 台2.0MW风电机组。出于对环境的考虑，丹麦的海上风电场只关注
那些偏远的水深在5~11m之间的海域，所选的区域须在国家海洋公
园、海运路线、微波通道、军事区域等之外，距离海岸线7到40km， 使岸上的视觉影响降到最低。根据丹麦政府能源计划法案，2030年
以前丹麦风力发电量将占全国总发电量的50%，其中，近四分之一
的风力发电量是由海上风电供给，最近，丹麦政府提出到2050年全 部摆脱对化石能源的依赖。
叶片
通常海上风电机组上安装有 3 片叶片, 而叶片的尺寸大小直接 决定了海上风力发电机的功率 大小。
风机
风机是风力发电的核心部分, 主 要由转子、风速计、控制器、 发电机、变速器等部分组成。
塔身
塔身一般由空心的管状钢材制成 , 设计主要考虑在各种风况下的 刚性和稳性, 根据安装地点的风 况、水况和风轮半径条件决定塔 身的高度, 使风叶片处于风力资 源最丰富的高度。 基础 由于海上风电机组的基础处于海 上 , 增加了许多额外载荷和不确 定因素 , 因而设计较为复杂 , 结 构形式也由于不同的海况而多样 化 , 因而 , 基础设计成了海上风 电场设计的关键技术之一。
1.2 海上风电机组基础结构的分类
海上风电基础的分类
根据海上风电基础与海床固定形式划分： 桩承式 a) 固定式 重力式 适应的水深在0~50m
b) 浮式：主要用于50m以上水深海域
1.2.1 桩承式基础
桩承式基础
桩承式基础结构受力模式和建筑工程中传统的桩基础 类似，由桩侧与桩周土接触面产生的法向土压力承担结构 的水平向荷载，由桩端与土体接触的法向力以及桩侧与桩 周土接触产生的侧向力来承载结构的竖向荷载。
桩承式基础分类
按材料分：钢管桩基础和钢筋混凝土桩基础； 按结构形式分：单桩基础、三脚架基础、导管架基础和 群桩承台基础。
单桩基础
单桩基础
特点 结构简单、安装方便 不足 受海底地质条件和水深约束 较大，水太深易出现弯曲现 象，对冲刷敏感，在海床与 基础相接处，需做好防冲刷 防护，并且安装时需要专用 的设备（如钻孔设备），施 工安装费用较高。
内容及计划
本课程主要内容
第一章：绪论 （陈达）
第二章：海上风电机组基础结构环境荷载 （江朝华） 第三章：桩承式基础 第四章：重力式基础 第五章：浮式基础 第六章：海上风电机组基础防腐蚀 （陈达） （陈达） （陈达） （江朝华）
第一章：绪论
1.1 海上风电发展概况
1.1.1 国外海上风电发展概况
1.1.2 国内海上风电发展概况
海上风电机组基础结构 陈达
参考书目录：
教 材
《海上风电机组基础结构》陈达 等编著 推荐参考书
《海上风电机组地基基础设计理论 与工程应用 》王伟、杨敏 编著
《制备技术-海上风力发电机组-制造 方法》吴佳梁、李成锋编著 《海上风力发电机组-几何参数设计》 吴佳梁、李成锋 编著
海上风电场的构成
一个完整的海上风电场由一定规模数量的单个风电机组和海 底输电设备构成。单个的风电机组包括叶片、风机、塔身和 基础部分。
海上风能丰富区
中国海上风资源
海上风电优势
海上风电具有不占用土地资源、 受环境制约少、风电机组容量更 大、年利用小时数更高、更具规 模化开发的特点，使得近海风力 发电技术成为近来研究和应用的 热点。
我国海上风能资源
我国海上可开发和利用的风能储 量约2×105MW，海上风能资源 丰富，有巨大的蕴藏量和广阔的 发展前景，特别是东部沿海水深 50m内的海域面积辽阔，距电力 负荷中心很近，随着开发技术的 成熟，海上风电必将成为我国东 部沿海地区可持续发展的重要能 源来源。
中国风电装机发展
中国风电装机发展
中国风电装机容量
我国风力发电始于上世纪 80年代，自 从2006年1月1日开始实施可再生能源
2007年
法后，中国风电市场前期稳步发展、
后期迅猛发展。如今在全球的风能发
展中，中国风力发电的发展速度最快，
至 2012 年 6 月 ， 我 国 并 网 风 电 达 到
52.58GW ， 国 家 电 网 调 度 范 围 达 到 50.26GW ，超过美国跃居世界第一。
1.2 海上风电机组基础结构的分类和组成 1.2.1 桩承式基础 1.2.2 重力式基础
1.2.3 浮式基础
风能概况
能源总量
据估计到达地球的太阳能中只有大约2％转化为风能，全球的风能 约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开 发利用的水能总量还要大10倍。
风能提水
风能动力
2050年
2012 年 8 月发布的《可再生能源发展
“十二五”规划》提出到2015年，风 电累计并网运行达1×105MW。
中国风资源
“三北”地区 沿海及其岛屿地区 内陆局部风丰 富区：
一些地区由于湖 泊和特殊地形的 影响，形成一些 风能丰富点，如 鄱阳湖附近地区、 湖北的九宫山和 利川以及湖南八 面山等地区，适 合建设零星的中 小型风电场。 东北、华北、西北可开发利用的风能储量约 2 亿 kW ，约占全国陆 地可利用储量的79％。该地区地形平坦，没有破坏性风速，是我 国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模开发风电场。 包括山东、广西和海南、江苏等省市沿海近10km宽地带，约占全 国陆地可利用储量的 4 ％。东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰 富区。
1.1.2 国内海上风电发展概况
我国海上风电发展前景
根据我国2012年8月发布的《可再生能源“十二五”规划》： 2015年中国海上风电将达到5GW，海上风电成套技术将形 成并建立完整的产业链； 2015年后将实现规模化发展，达到国际先进水平； 2020年海上风电将达到30GW。 截止到2012年8月，我国已开展前期工作和拟建的海上风电 项目约24个。