海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式及關(guān)鍵技術(shù)分析

焦忠虎　肖紀(jì)升

摘要：風(fēng)蘊(yùn)含的能量巨大，是水資源利用總能量的10倍。目前很多風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)建立在陸地上，但隨著人口的遷移與增長，陸地上的風(fēng)力發(fā)電不僅占用了人類活動的場地，還制造了干擾大眾正常生活的噪音，阻礙了陸地風(fēng)力發(fā)電區(qū)域的發(fā)展，因此，現(xiàn)在人們逐漸把視線轉(zhuǎn)移到海上，海上風(fēng)力發(fā)電不影響人類對陸地的需求，可為人類帶來豐富的資源。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)能；樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；導(dǎo)管架基礎(chǔ)；重力式基礎(chǔ) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）01-0145-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.072

海上風(fēng)能具有湍流輕度較小、主導(dǎo)風(fēng)向較為穩(wěn)定、能節(jié)約土地資源等優(yōu)點(diǎn)，且風(fēng)作為無公害能源之一，在近幾年時間里，已經(jīng)得到了歐洲市場的認(rèn)可，海上風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在歐洲得到迅速的發(fā)展。借鑒目前世界上各個國家對經(jīng)濟(jì)安全的海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式的探索，積極發(fā)展我國的海上風(fēng)能發(fā)電事業(yè)，對于我國的能源使用與分配有著至關(guān)重要的意義。

1 樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為三類：單樁基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)和三角樁基礎(chǔ)。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是目前世界上應(yīng)用最多的風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，由大直徑鋼管組成。單樁基礎(chǔ)的固定方式是采用液壓撞擊法，撞錘將鋼管夯入海床或者在海床安裝鉆孔形成的。這種基礎(chǔ)的直徑有3～6m寬，壁厚約是直徑的1%。鋼管插入海床的深度根據(jù)海床土壤強(qiáng)度來定，依靠測土給予的壓力傳遞荷載。單樁基礎(chǔ)適合建設(shè)于淺水水域或是水深為20～25m的中水水域，且土質(zhì)良好的海床上。單樁基礎(chǔ)的建設(shè)無需做海床準(zhǔn)備，安裝方法簡單，但移動較為困難，且由于其鋼管直徑大，施工時需要借助特殊打樁船進(jìn)行作業(yè)，若海床并非是適宜的土壤而是巖石，則還要增加鉆洞加大投入費(fèi)用。單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于歐洲海上風(fēng)力發(fā)電場，這也逐漸成為建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電的一個標(biāo)準(zhǔn)。

多樁基礎(chǔ)是多個樁基打入土內(nèi)的一種形式，打樁方向可以斜向打入或者豎直打入，這種形式概念源自于海上油氣開發(fā)項(xiàng)目。多樁基礎(chǔ)可以很好地抵抗海上波浪、海水動力，適合應(yīng)用于中等水深與深水水域中。根據(jù)水深不同、海水流動等外部因素造成的荷載以及風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動力的特性來確定多樁基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)。多樁基礎(chǔ)無需做海床準(zhǔn)備，可用于各種海床質(zhì)地、任何水深中，并且其質(zhì)量小、建設(shè)簡單方便，但是所需成本高昂，安裝還需使用專門設(shè)備，工作年限過后其拆卸移動困難。隨著我國不斷推進(jìn)海上深水水域風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)，多樁基礎(chǔ)將來也有更大的發(fā)展。

三角樁基礎(chǔ)顧名思義是三腿支撐的基礎(chǔ)，其組成結(jié)構(gòu)分別是中心柱、斜撐以及3根插入海床一定深度的圓鋼。鋼管與上部的連接是通過灌漿技術(shù)或者是裝模實(shí)現(xiàn)的，垂直或傾斜的管套方可使用。中心柱的作用類似于單樁基礎(chǔ)，基本支撐風(fēng)機(jī)塔架。三角樁基礎(chǔ)是單樁基礎(chǔ)的發(fā)展，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度。

2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

風(fēng)輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載以及海洋環(huán)境荷載是影響風(fēng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要荷載，采用鋼制材料的導(dǎo)管架重量較輕，對海床地質(zhì)條件具有較強(qiáng)適應(yīng)能力，且擁有較好的穩(wěn)定性，故此非常適合應(yīng)用于較深海域的海上風(fēng)基礎(chǔ)，目前在歐洲各大海上風(fēng)電場都得到較為廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)管架主要以框架堆成結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。主體的導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要可以劃分成兩個部分：一部分是包含了主筒體、平臺甲板以及主斜撐等結(jié)構(gòu)的過渡段，另一部分是能分成先打樁導(dǎo)管架以及后打樁導(dǎo)管架這兩種結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)管架基礎(chǔ)主體，再進(jìn)一步探究導(dǎo)管架基礎(chǔ)由圓柱鋼管所組成的三腿或四腿基礎(chǔ)，這種基礎(chǔ)在深水域采油工程中的應(yīng)用相當(dāng)成熟，可推進(jìn)應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)中。

3 重力式基礎(chǔ)

海上風(fēng)電場風(fēng)力基礎(chǔ)主要是將風(fēng)電場基礎(chǔ)固定在海上的主要建筑物，由于風(fēng)力基礎(chǔ)需要處在海洋環(huán)境中，不僅需要承受結(jié)構(gòu)自身的重力，還需要考慮風(fēng)荷載、水流力以及承受必須的波浪等，故此風(fēng)力基礎(chǔ)的重力設(shè)計(jì)對于風(fēng)電場具有關(guān)鍵的影響作用。最早的海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)建設(shè)形式是重力式基礎(chǔ)，其是依靠本身固有重力固定風(fēng)機(jī)。可分為兩種形式：混凝土重力式基礎(chǔ)與鋼沉降基礎(chǔ)。一般適用于水深在10m以內(nèi)的水域中，不限制海床地質(zhì)條件。當(dāng)水域深度大于10m時，為了確保其自身重力足以抵抗風(fēng)、海浪等外部荷載，基礎(chǔ)的建設(shè)尺寸將隨之加大，自然成本提高。重力式基礎(chǔ)造價低、結(jié)構(gòu)簡單、受海床土質(zhì)影響不大，但需提前做海床準(zhǔn)備，建設(shè)工期長，其尺寸較大，質(zhì)量大，使得安裝運(yùn)輸不方便，提高了這方面的資金投入，反而使得總造價提高。

4 負(fù)壓桶式基礎(chǔ)

負(fù)壓桶式基礎(chǔ)是重力式基礎(chǔ)與傳統(tǒng)基礎(chǔ)的結(jié)合。桶形結(jié)構(gòu)為上端封閉、下端開口、中間空腔的混凝土結(jié)構(gòu)，通過對桶體內(nèi)部充壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)氣浮拖運(yùn)。沉貫就位時，先靠自身重量及平臺上部結(jié)構(gòu)重量使其筒裙底端插入海底一定深度，桶內(nèi)形成封閉空間，然后用泵抽吸，形成負(fù)壓，負(fù)壓意為桶基礎(chǔ)在安裝時所使用的一種方法，其可承載部分動態(tài)峰值負(fù)載。

5 漂浮基礎(chǔ)

依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在水深60～900m處的海上風(fēng)力資源幾乎達(dá)到了1533GW，而在近海0～30m的水域僅有430GW，故此相較于近海水域的風(fēng)力，深海水域的風(fēng)力更為豐富。單樁式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)這些固定的基礎(chǔ)并只適合用于水深在30m以內(nèi)的水域中，并不滿足深水水域的開發(fā)。

1972年在麻省理工學(xué)院中William E.Heronemus最先提出了漂浮基礎(chǔ)，隨著海上浮式平臺技術(shù)的不斷進(jìn)步以及海上風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展，漂浮基礎(chǔ)逐漸被人們了解且熟悉，促進(jìn)了漂浮基礎(chǔ)漸漸成為未來風(fēng)力發(fā)電建設(shè)的發(fā)展方向。按系泊系統(tǒng)對漂浮基礎(chǔ)進(jìn)行劃分，可以分成應(yīng)用壓載艙，使得整個系統(tǒng)的中心壓低至浮心之下，以確保整個風(fēng)機(jī)能在水中保持穩(wěn)定；再采用3根懸鏈線來保持整個風(fēng)機(jī)位置的日本Spar式；依靠自身重力和浮力的平衡以及懸鏈線來維持整個風(fēng)機(jī)穩(wěn)定與位置的荷蘭浮箱式以及通過系泊線的張力給予整個風(fēng)機(jī)穩(wěn)定的美國張力腿式。

6 關(guān)鍵技術(shù)分析

海上風(fēng)力發(fā)電與陸地風(fēng)力發(fā)電相比，其要克服海上特殊環(huán)境如強(qiáng)風(fēng)所帶來的附加荷載、海水的腐蝕和海上波浪的沖擊等。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建設(shè)技術(shù)比陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建設(shè)技術(shù)挑戰(zhàn)更大，難度更高。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算分析，得出各部分電機(jī)的受力、變形情況來對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。為了解決永磁同步發(fā)電機(jī)尺寸大、質(zhì)量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如優(yōu)化軸向長度與間隙比值、采用輕質(zhì)材料等各種方法。另外采用膜化結(jié)構(gòu)等方法來簡單化生產(chǎn)運(yùn)輸與安裝。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用大型葉片來實(shí)現(xiàn)高葉尖速度比，提高能量捕獲能力。葉片的選材十分重要，其關(guān)系到整體質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度，一般選用環(huán)氧碳纖維樹脂這種新型輕質(zhì)材料，質(zhì)量可以減少20%～40%。目前我國在葉片選材技術(shù)方面取得了一定的進(jìn)步，我國開發(fā)了高性能環(huán)氧乙烯基醋樹脂，相比于環(huán)氧樹脂，其成本要少10%，且材料效果相當(dāng)。

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電組電機(jī)、變流器、齒輪箱等發(fā)熱構(gòu)件中起著冷卻的作用，使溫度降低以免影響機(jī)器正常運(yùn)行。冷卻液的質(zhì)量與電動機(jī)的工作效率和使用壽命息息相關(guān)，可防止由于溫度升高而使電機(jī)結(jié)構(gòu)變形，永久磁體不可逆而去磁，確保動機(jī)正常工作。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)所發(fā)出的總熱量達(dá)到幾百千瓦，冷卻系統(tǒng)可選擇強(qiáng)制風(fēng)冷或是液冷方式。由于強(qiáng)制風(fēng)冷所需風(fēng)量極大，另外海風(fēng)也含大量鹽分等腐蝕物質(zhì)，因此強(qiáng)制風(fēng)冷在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)中并不適合運(yùn)用，而相反采用秘密性工作且導(dǎo)熱能力良好的液冷方式較為適用。

變流器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中承擔(dān)著風(fēng)能向動能的轉(zhuǎn)換和調(diào)控作用。其能起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔茫趯﹄娋W(wǎng)傳送風(fēng)力發(fā)電的有功分量的同時，也能控制電網(wǎng)無功分量。

隨著科技的發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電越來越遠(yuǎn)離陸地且建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對輸電并網(wǎng)技術(shù)的要求也越來越高。構(gòu)成海上風(fēng)場的離岸集電網(wǎng)絡(luò)與電能的傳輸方式是重要的把關(guān)部分。海上風(fēng)場集電系統(tǒng)包括兩個部分，分別是風(fēng)機(jī)與變電站。風(fēng)機(jī)由多組構(gòu)成，每一組的連接方式為星型或串型，串型中的每個風(fēng)機(jī)附帶獨(dú)立的變壓器工作，多臺風(fēng)機(jī)以串型連接起來與變電站相連。用星型連接方式連接的風(fēng)機(jī)不需采用獨(dú)立的變壓器，因此其成本相對降低，但穩(wěn)定性也不如串型連接的好，在施工方面要建設(shè)多重集電平臺，加重工作量。目前的海上風(fēng)力發(fā)電是采用串型連接方式。根據(jù)海底下電纜設(shè)置與風(fēng)機(jī)的連接，應(yīng)該把變電站建設(shè)在風(fēng)場的幾何中心上，但陸上變電站的建設(shè)更加容易且降低成本，因此變電站在海上或是陸上目前都有使用。

7 結(jié)語

海上風(fēng)力發(fā)電對于促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)步、發(fā)展友好型社會、保護(hù)環(huán)境有著積極作用，就目前我國科學(xué)技術(shù)來說，我們迫切需要研制適合于國情發(fā)展的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。結(jié)合相關(guān)問題，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建設(shè)所需要成本高、運(yùn)輸不便以及安裝困難成為開發(fā)海上風(fēng)能利用的阻礙。我們可以借鑒歐洲先進(jìn)的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)建設(shè)技術(shù)，不斷加大建造規(guī)模，向深海水域方向發(fā)展。經(jīng)過人類對科學(xué)的不斷探索，海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)必將越來越成熟，在關(guān)鍵技術(shù)上有更大突破，提高資源利用率。

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作者簡介：焦忠虎（1982-），黑龍江鶴崗人，天津港航工程有限公司工程師，研究方向：現(xiàn)場施工管理；肖紀(jì)升（1984-），河北滄州人，天津港航工程有限公司工程師，研究方向：現(xiàn)場施工管理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）