海上风力发电技术综述

海上风力发电技术综述

1 概况

风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。欧美海上风电场已处于大规模开发的前夕。我国东部沿海水深50 m以的海域面积辽阔，而且距离电力负荷中心（沿海经济发达电力紧缺区）很近，随着海上风电场技术的发展成熟，风电必将会成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源来源。

海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高，综合来看，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。

海上风电场的发电成本与经济规模有关，包括海上风机的单机容量和每个风电场机组的台数。铺设150MW海上风电场用的海底电缆与100MW的差不多，机组的大规模生产和采用钢结构基础可降低成本。目前海上风电场的最佳规模为120～150MW。在海上风电场的总投资中，风电机组占51%、基础16%、电气接入系统19%、其他14%。丹麦电力公司对海上风电场发电成本的研究表明，用国际能源局（IEA）标准方法，按目前的技术水平和20年设计寿命计算，估测的发电成本是0.36丹麦克朗(人民币0.42元或0.05美元)/kWh。如果寿命按25年计算，还可减少9%。

海上风电场的开发主要集中在欧美地区，其发展大致可分为5个不同时期：①1977～1988年，欧洲对国家级海上风电场的资源和技术进行研究；②1990～1998年，进行欧洲级海上风电场研究，并开始实施第1批示计划；③1991～1998年，开发中型海上风电场；④1999～2005年，开发大型海上风电场和研制大型风力机；⑤2005年以后，开发大型风力机海上风电场。

2 海上风环境

一般说来海上年平均风速明显大于陆地，研究表明，离岸10km的海上风速比岸上高25%以上。

2 1 风速剖面图

海面的粗糙度要较陆地小的多，因此风速在海平面随高度变化增加很快，通常在安装风机所关注的高度上，风速变化梯度已经很小了。因此通过增加塔高的方法增加风能的捕获在某种程度上不如陆地有效。由于海上风边界层低，所以海面上塔高可以降低。陆地与海上风速剖面比较如图1所示。

图1 陆地、海上风速剖面图比较

2 2 风湍流特性

湍流度描述的是风速相对于其平均值的瞬时变化情况，可以表示为风速的标准偏差除以一段时间（通常10min）风速的平均值。自由风湍流特性对风机的疲劳载荷大小影响很大。由于海上大气湍流度较陆地低，所以风机转动产生的扰动恢复慢，下游风机与上游风机需要较大的间隔距离，即海上风场效应较大。通常岸上湍流度为10%，海上为8%。海上风湍流度开始时随风速增加而降低，随后由于风速增大、海浪增高导致其逐步增加，如图2所示。除此之外，湍流度还随高度增加而几乎呈线性下降趋势，如图3所示。

图2 海上风速与湍流度关系

图3 海面上高度与湍流度关系

2 3 水深与海浪

水深和海浪是影响海上风电场发展的2个重要自然因素。水深不仅直接影响塔基尺寸和质量，而且影响海浪产生载荷。海浪随水深而增高，水深同时使海面到塔基的塔杆增加，从而导致塔基受到很大的翻滚力矩。国外研究表明，浪高随风速增加基本呈线性增加，当风速大于20m/s后，海浪达到极限值大约为4m，这是因为较浅的水深限制的缘故，浪高的极限值受水深的制约而不是风速。

3 海上风力发电技术

3 1 风机支撑技术

海上风机的支撑技术主要有底部固定式支撑和悬浮式支撑2类。

31 1 底部固定式支撑

底部固定式支撑有重力沉箱基础、单桩基础、三脚架基础3种方式。如图4所示。

(1）重力沉箱基础。重力沉箱主要依靠沉箱自身质量使风机矗立在海面上。Vindeby和Tunoe Knob海上风电场基础就采用了这种传统技术。在风场附近的码头用钢筋混凝土将沉箱基础建起来，然后使其漂到安装位置，并用沙砾装满以获得必要的质量，继而将其沉入海底。海面上基础呈圆锥形，可以起到减少海上浮冰碰撞的作用。Vindeby和Tunoe Knob风电场的水深变化围在2.5～7.5m之间，每个混凝土基础的平均质量为1050t。该技术进一步发展，用圆柱钢管取代了钢筋混凝土，将其嵌入到海床的扁钢箱里。该技术适用于水深小于10m的浅海地区。 (2）单桩基础。单桩基础由一个直径在3～4.5m之间的钢桩构成。钢桩安装在海床下18～25m的地方，其深度由海床地面的类型决定。单桩基础有力地将风塔伸到水下及海床。这种基础的一大优点是不需整理海床。但是，它需要防止海流对海床的冲刷，而且不适用于海床有巨石的位置。该技术应用围水深小于25m。

(3）三脚架基础。三脚架基础吸取了海上油气工业中的一些经验，采用了质量轻、价格低的三脚钢套管。风塔下面的钢桩分布着一些钢架，这些钢架承担和传递来自塔身的载荷，这三个钢桩被埋置于海床下10～20m的地方。

图4 底部固定式支撑方式

31 2 悬浮式支撑

以悬浮式支撑有浮筒式和半浸入式2种方式，主要应用于水深75～500m的围。如图5所示。

图5 悬浮式支撑方式

(1）浮筒式支撑。浮筒式基础由8根与海床系留锚相连的缆索固定在海面上，风机塔杆通过螺栓与浮筒相连。

(2）半浸入式支撑。主体支撑结构浸于水中，通过缆索与海底的锚锭连接，该形式受波浪干扰较小，可以支撑3～6MW、旋翼直径80m的大型风机。

3 2 风机设计技术

降低风机离岸产生的额外成本是海上风能技术发展面临的主要挑战，其中海底电缆和风机基础成本占主要部分，它受水深和离岸距离影响大，而受风机尺寸影响不大。因此对额定功率的风场应采用大功率风机以减少风机个数，从而减少基础和海底电缆的成本。目前一般认为海上风场装机容量在100～150MW是比较经济的。国外已研制出3.6MW的海上风机，其旋翼直径为104m，适合于水深10m的地方。

海上风机是在现有陆地风机基础上针对海上风环境进行适应性“海洋化”发展起来的。具有以下特点：

(1) 高翼尖速度。陆地风机更多的是以降低噪声来进行优化设计的，而海上则以更发挥空气动力效益来优化，高翼尖速度、小的桨叶面积将给风机的结构和传动系统带来一些设计上的有利变化。

(2) 变桨速运行。高翼尖速度桨叶设计，可提高风机起始工作风速并带来较大的气动力损失，采用变桨速设计技术可以解决这个问题，它能使风机在额定转速附近以最大速度工作。

(3) 减少桨叶数量。现在大多数风机采用3桨叶设计，存在噪声和视觉污染。采用2桨叶设计会带来气动力损失，但可降低制造、安装等成本，因此也是研究的一个方向。

(4) 新型高效发电机。研制结构简单、高效的发电机，如直接驱动同步环式发电机、直接驱动永磁式发电机、线绕高压发电机等。

(5) 海洋环境下风机其他部件。海洋环境下要考虑风机部件对海水和高潮湿气候的防腐问题；塔中具有升降设备满足维护需要；变压器和其他电器设备可安放在上部吊舱或离海面一定高度的下部平台上；控制系统要具备岸上重置和重新启动功能；备用电源用来在特殊情况下置风机于安全停止位置。

(6) 探索降低成本的新方案。新近提出的一种10MW近岸大型概念风机能有效减少基础数量，降低海上风场成本。按12m/s额定风速，要产生10MW的输出，主转子直径需要约200m，主转子外缘速度达到56m/s，主转子叶片弦长3m，叶片数量10个。主转子采用线固定，其主轴迎风顶端支撑在直径300mm的支撑塔杆上，塔杆固定在海床上；主轴末端由小型飞艇悬挂和海面上浮船绞盘钢索拉住保持平衡，或采用海面上三角悬浮支撑方式。这样，主转子就可以随来风变化绕顶端旋转。主旋翼叶片由7段组成，最外段安装有4个直径3.6m的风机。

欧洲未来风力发电增长的很大部分将来源于海上，美国能源部也制定风力资源深海发展战略，将海上油、气开发技术经验与近岸浅水（0～30m）风能开发技术相结合，开展深海（50～200m）风能开发研究，包括低成本的锚定技术、平台优化、平台动力学研究、悬浮风力机标准等。

4 结束语

欧美的海上风能研究表明，浅海风力发电不存在主要技术问题，利用现有技术，海上风机可以生存，发展和研究主要是集中在降低成本和验证可靠性方面，海上风机问题关键是经济性问题，环境保护可能也是一个限制因素，预计10～15