海上風力發(fā)電基礎形式及關鍵技術分析

凌衛(wèi)軍 陳喜

摘要：社會工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展使人們對能源的需求不斷增加，為了尋求更多的可再生能源，滿足環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需求，近年來對海上風力發(fā)電的建設與研究步伐不斷加快。由于海上風力發(fā)電具有節(jié)約場地、清潔環(huán)保，更好的滿足人們能源使用需求等優(yōu)勢，有必要進一步探索海上風力發(fā)電基礎形式以及關鍵技術，提高海上風力發(fā)電設施的經(jīng)濟性以及適用性。

關鍵詞：海上風力發(fā)電;基礎形式;關鍵技術

風蘊含著巨大的能量，隨著人們生產(chǎn)生活對能源需求量的不斷增加，海上風力發(fā)電由于更加節(jié)省場地，清潔環(huán)保，不干擾人們的正常生活，并且海上風能具有風向穩(wěn)定、湍流輕度小等優(yōu)勢而得到了人們越來越多的認可。近年來世界范圍內(nèi)的海上風力發(fā)電項目越來越多，通過探索更加經(jīng)濟安全的海上風電基礎形式，以期實現(xiàn)促進海上風能發(fā)電事業(yè)發(fā)展的目的。所以，積極探索能促進海上風力發(fā)電基礎形式發(fā)展的關鍵技術，促進我國能源使用與分配領域的進一步發(fā)展。

一、海上風力發(fā)電基礎形式分析

（一）樁基礎結構

樁基礎結構是海上風力發(fā)電基礎形式中重要的組成部分之一，按照樁基礎形式的不同，樁基礎結構還可以分成多樁基礎、單樁基礎和三角樁基礎。其中以單樁基礎在海上風力發(fā)電中的應用最為廣泛，在施工過程中，通過鋼管夯入法將大直徑鋼管安裝在海床之中。這種鋼管直徑一般在四米至八米范圍內(nèi)，管壁厚度一般為直徑寬度的百分之一，并且隨著海上施工逐步向深海發(fā)展，鋼管的直徑還在不斷增大。單樁基礎在海上風力發(fā)電中的應用優(yōu)勢主要是海上施工操作簡單。不足之處在于大直徑鋼管樁移位及運輸難度大，且根據(jù)海床土質(zhì)種類的不同，海上安裝成本有所差異。其次是多樁基礎形式，也就是將多個樁基礎打入海床土壤中的一種基礎結構，打入方式可以是豎向垂直打入，也可以是斜向打入，這種基礎形式通常被應用在深海風力發(fā)電建設中，具有操作簡單、重量輕等優(yōu)勢，但是安裝成本較高，實際施工過程中還需要相應專業(yè)設備的支持。三角樁基礎，顧名思義，是一種有三腿支撐樁的基礎形式，這是一種單樁基礎的發(fā)展形勢，與單樁基礎相比，具有更高的穩(wěn)定性和強度[1]。

（二）導管架基礎

在海上風力發(fā)電設備中，基礎結構主要的作用是荷載海洋環(huán)境以及風葉運轉(zhuǎn)，其中鋼制材料的導管應用最多，在海上風力發(fā)電基礎結構中能發(fā)揮出較好的穩(wěn)定性，并且對海洋環(huán)境的適應能力較強，因此，導管架基礎形式在深海領域中的應用十分廣泛。一般情況下，導管架的基礎結構是框架結構，主要有主斜撐、平臺甲板和主筒體等。目前，導管架基礎中的四腿基礎和三腿基礎在海上風力發(fā)電基礎形式建設中的應用最普遍，同時在深水域采油工程中也有較大的應用優(yōu)勢[2]。

（三）重力式基礎

海上風力發(fā)電的基礎形式之一，主要依靠基礎自身及壓載物重量抵抗上部風機荷載和水流力，使基礎及上部風機塔筒結構保持穩(wěn)定。基于此，設計基礎結構的重力形式時，其設計效果對于海上風力發(fā)電基礎形式的穩(wěn)定性有較大的影響。目前，海上風力發(fā)電基礎形式中的重力基礎主要分為鋼沉降基礎以及混凝土重力基礎兩種，適用于海水深度小于十米的基礎形式建設中。

（四）負壓桶式基礎

是傳統(tǒng)基礎與重力式基礎的結合，基礎結構以桶形結構為主體，上端封閉、下端開口，中間部分由混凝土結構組成，通過空氣的壓縮實現(xiàn)拖運。安裝過程中首先將負壓桶式基礎結構插入到海底一定深度下，然后用泵抽吸掉桶內(nèi)空氣，形成負壓，以達到提高基礎結構承載能力的目的[3]。

二、海上風力發(fā)電關鍵技術探討

與陸地風力發(fā)電結構不同的是，海上風力發(fā)電基礎形式需克服海上風與海浪的附加荷載，因此對基礎結構提出了更高的要求，通過應用各種先進技術，以滿足海上風力發(fā)電設備的要求。首先是設計環(huán)節(jié)，由于水磁同步發(fā)電機質(zhì)量大與尺寸大的不滿，設計階段中更多的應用了輕質(zhì)材料，優(yōu)化了軸向長度和間隙的比值，并且通過對膜化結構的應用，簡化了生產(chǎn)、運輸和安裝過程。其次，選擇強度更高、剛度更好、整體質(zhì)量更小的葉片材料，增大葉片型號，提高能量的補貨能力，目前，海上風力發(fā)電設備中應用的葉片材料主要由環(huán)氧乙烯基醋樹脂，有成本小、性能好的優(yōu)勢[4]。最后，海上風力發(fā)電設備中對冷卻系統(tǒng)的設計，冷卻液的質(zhì)量等，都影響發(fā)電機的工作效率和使用壽命，為了達到良好的冷卻作用，應用了液冷的冷卻方式，發(fā)揮出更好的導熱能力和強制風冷效果[5]。

三、結束語

綜上所述，為了滿足人們對電力能源的發(fā)展需求，提出了海上風力發(fā)電項目的發(fā)展策略，通過對海上風力發(fā)電基礎形式以及關鍵技術的探討，以期提高海上風力發(fā)電設備的性能，達到更好的電力供應目的。

參考文獻：

[1]孫凌云.海上風力發(fā)電基礎形式及關鍵技術[J].綠色環(huán)保建材，2019（01）：234-235.

[2]焦忠虎，肖紀升.海上風力發(fā)電基礎形式及關鍵技術分析[J].中國高新技術企業(yè)，2016（01）：145-146.

[3]李利飛. 海上風力發(fā)電安裝船總體技術研究[D].天津大學，2014.

[4]胡軍，唐友剛，阮勝福.海上風力發(fā)電浮式基礎的研究進展及關鍵技術問題[J].船舶工程，2012，34（02）：91-95.

[5]林鶴云， 郭玉敬， 孫蓓蓓， et al. 海上風電的若干關鍵技術綜述[J]. 東南大學學報（自然科學版）， 2011， 41（4）：882-888.

（作者單位：江蘇龍源振華海洋工程有限公司1

南通振華重型裝備制造有限公司2）