漂浮式海上風電發展現狀及趨勢探討

包彩虹

摘 要 隨著風機單機容量的逐步增大，淺海面積的進一步受限，深水風電的發展已然成為開發可再生能源的必然趨勢，而在深水風電的研究中最重要的就是漂浮式基礎概念的提出。本文主要從風電機組的基礎形式來對其技術發展進行闡述分析，重點論述了TLP（張力腿式平臺）的發展現狀，并列舉闡述了國外典型TLP平臺的海上漂浮式風電項目，從而為我國大力發展漂浮式海上風電提供良好的借鑒作用。

關鍵詞 漂浮式風機;TLP平臺;錨泊系統

引言

在石油資源形勢日益嚴峻、全球氣候逐漸變暖的情況下，海上風能作為一種新的可再生能源，受到了大多數國家的青睞。國家能源局已于《風電發展“十三五”規劃》中明確指出：到2020年底，風電累計并網裝機容量確保達到2.1億千瓦以上，其中海上風電并網裝機容量達到500萬千瓦以上。由此可見，海上風電是風電產業未來發展的方向，也是我國能源結構轉型的重要支撐。

根據海水深度，海上風電分為近海風電（水深<50m）和深海風電（水深>50m）。隨著近海風資源的開發利用趨于飽和，以及風電機組單機容量的逐漸增大，海上固定式基礎所面臨的設計和施工挑戰越來越大，而漂浮式風機為順應系統，在環境條件作用下依靠系泊系統實現定位，對環境適應性更強，且視覺污染和噪音污染與近海風電相比較小，因此漂浮式海上風電技術的發展將在海上風電的跨越式發展中發揮重要的作用。目前，歐洲、日本等國家在海上風電事業的發展中一直處于領先地位，對于漂浮式基礎的研究也較為成熟，因此，研究國外漂浮式海上風電技術可為我國向深遠海風電場發展提供可能。

1漂浮式風電機組基礎形式

歐洲研究報告指出，風機基礎的投入可占總投入的20%，并隨著海水深度的增加而增加，因此漂浮式風電技術的改革創新必然需要大力發展經濟可行的基礎型式。

早期的海上風電基礎主要有單樁式、三腳架式和導管架式，而近幾年為適應不同海床條件、水深以及機組和環境因素，海上風電基礎結構開始越發多樣化。隨著離岸距離和水深的拓展以及系泊系統的研究，漂浮式基礎將會得到更廣泛的應用。漂浮式基礎結構主要由錨固系統、錨錠地點和壓載艙組成，現在市場上主流的漂浮式基礎為半潛式、柱體式、張力腿式這三種形式，其中，根據錨鏈的受力狀態，又可將前兩類歸為懸鏈式基礎，后一類為張緊式基礎。

1.1 TLP基礎

（1）概念

張力腿式概念源于通過張緊的系泊纜繩固定于海底來提供穩定性。該結構較輕，具有獨特的筋腱系統，同時張力腿式吃水深度較淺，當存在起伏、傾斜以及翻轉運動時，具有較高的穩定性[1]。

Crozier等人對兩種類型的TLP風機概念做了大量的數字化對比，她發現被拖曳至目的地的TLP風機比搬運至目的地的具備更為有利的動態性能[2];Jagdale等人使用時間域來分析四浮筒TLP設計，他們主要通過改變塔長、浮筒長、橫截面以及系泊纜繩的數量來評估平臺的動態響應[5];Tracy等人使用頻率域法分析了TLP的最佳參數[6];Nihei等人則提出了一種由3鋼絲和6筋腱組成的輕結構，他們通過一系列實驗發現筋腱會隨著漂流機制的改變而松弛隨之結構遭到破壞[3-4]。

（2） 錨泊系統研究

錨泊系統的研究包括系泊和錨錠兩部分，目前漂浮式基礎上所使用的錨泊系統指懸鏈式或張緊式的系泊系統或者像張力腿平臺中固定基礎使用的筋腱系統。

國外大多數TLP平臺錨泊系統主要包括張力腿筋腱和錨固基礎兩個部分，其張力腿所使用的材料均為鋼管，采用該材料安全性好，穩定性高，加工工藝簡單，并且制造成本低，本身重量也可以通過兩端密封的方法來解決，在防腐處理方面的技術也較為成熟。但采用鋼管作為TLP平臺張力腿時，需要在張力腿與海底基礎和平臺間連接處設置一個可任意方向擺動的球角接頭，即張力腿連接器，其結構復雜，設計制造困難。目前這種連接器只有幾家公司有現成產品，其示意圖如圖1所示。

錨錠系統的選擇與海床環境有關，現在主要的錨錠類型有拖動式嵌入、打入樁、吸力樁、重力式。其基本特征如表1所示。拖動式嵌入主要運用于黏性泥沙沉積環境，打入樁則適用于大范圍的海床環境，吸力樁和重力樁均不適用于滲透性困難的海床環境，但在解除裝置時，吸力樁可被移動，而重力樁則很難移動。

1.2 其他類型基礎形式

（1）半潛式基礎（SEMI-SUB）：主要利用浮力作用，通過將平臺浮于海水表面同時以懸鏈線固定于海底來實現，這種基礎通常需要一個大而重的結構來保持穩定，但吃水深度較低，需要通過主動壓載設備來保持平臺水平。

（2）柱體式基礎（Spar）：主要通過采用圓柱固定壓載來降低重心直到比浮心還低來獲得靜穩性。其結構底部重而上部較輕，以此提高浮力的重心。Spar式結構吃水深度大，可適用于大水深條件，但受到風浪影響較大。

（3）半潛式、立柱式和張力腿式每種類型都各有特點、優勢和劣勢，其適用范圍也各不相同。我國陸架平緩，尤其是東海海域遠海水深條件相對于歐洲較淺，一般在40-60m之間。立柱式由于結構特點，適用于較大水深海域（100m水深）。此外，半潛式和立柱式采用懸鏈線式系泊結構，系泊纜長度在5-10倍的水深，意味著40m水深，纜繩長度可能在200-400之間，遠大于我國《海上風電開發建設管理暫行辦法》中規定“單個風電機組塔架用海面積一般按塔架中心點至基礎外緣線點再向外50m為半徑的圓形區域”。同時張力腿基礎在外力（風浪流）作用下運動響應更好，對風機的要求和發電量損失更小。

2國外漂浮式風電技術發展

2.1 發展歷程

漂浮式海上風機主要是由風渦輪機、塔筒、浮式平臺和錨泊系統組成，這一概念最早是由美國麻省理工學院的Heronemus教授在1972年提出，但直到二十年前歐美國家才開始開發用于承載海上風機的浮動式平臺。與傳統的海上風力發電裝置不同，浮式風力發電機組不需要在海底打樁再架起來，而是將其建在浮式平臺上，并通過系泊裝置相連接，由錨固系統固定在海床上，最終通過一條輸出電纜將產生的電力輸送到陸上電網。如今，歐洲漂浮式海上風電市場百家爭鳴，隨著第一臺試驗樣機在挪威海域成功運行，葡萄牙、德國、法國等海上風資源豐富國家也相繼研發了一系列新概念，并取得了可喜的成績。

2.2 國外典型TLP平臺的海上漂浮式風電項目

“Pela Star” “PelaStar”項目由美國Glosten公司歷經多年開發，借鑒了mini-tlp的概念，浮式平臺由五個支臂和一個中心圓柱體組成，每個臂上都有一個纜索固定于海底，結構重量較輕。“PelaStar”于2011年被緬因大學選中進行浮式風電的示范工程，這是TLP浮式平臺的首次提出。2012年，“PelaStar”被ETI選中進行風浪測試，示范場址位于遠離康沃爾的凱爾特海，計劃采用6MW Haliade海上風電機組，但該工程由于場地許可的推延被擱置。最近，Glosten機構正在尋求新的測試場址已完成這個試驗。

“GICON-SOF” 德國2.3WM“GICON-SOF”風機為典型張力腿式結構，主要由四個圓柱體組成，其下則通過四個垂直的拉張式纜繩固定于海底，并且通過四個額外的拉張式纜繩來保持平臺的穩定性。這個項目從2012年開始就經歷了大量的水槽試驗，并于2017年10月11日通過1：50模型的水池試驗。整個試驗過程主要模擬了11.4米和12.9米的浪高，整座風機表現非常穩定。

3國內漂浮式風電技術發展

我國海上風能資源豐富，預估可達到750GM的可開發容量，目前僅僅掌握了在近海和潮間帶開發建設的海上風電技術，對于深遠海域海上風電的開發研究還處于空白地帶，因此研究深遠海漂浮式風電技術，可以將我國風電建設推向風能資源更加豐富的深遠海域，為后續深遠海域海上風場大規模開發奠定基礎。

4展望

隨著海上風電進一步向深遠海域發展，其安裝和運維成本居高不下是阻礙其發展的一個主要因素。因此，為了減少這些深遠海風電項目的生產，安裝和運維成本，在固定式基礎持續進步的同時，漂浮式海上風機基礎也逐漸發展起來，并走出試驗階段，走向商業化應用。

歐洲海上漂浮式風電一直是這個行業的領頭軍，在歐洲委員會及各國政府的資金支持下，其國內的企業、高校和研究機構投入了大量的研究資源，目前已提出了許多新的概念，并進行了各型漂浮風機的物模試驗、數值計算分析，建設了樣機，同時相關的設計、施工規范（ABS、DNV）也已陸續出版，未來漂浮式風機的大規模應用指日可待。

我國海上風能資源豐富，具備大規模發展海上風電的條件，雖然漂浮式風電研究起步較晚，但可充分借鑒國外的經驗和技術，實現漂浮式風電的“彎道超車”。

參考文獻

[1] Matha D，Fischer T，Kuhn M，et al. Model Development and Loads Analysis of a Wind Turbine on a Floating Offshore Tension Leg Platform[C].European Offshore Wind 2009，2009：1-7.

[2] Karimirad M. Floating Offshore Wind Turbines[M].Offshore Energy Structures. Springer International Publishing，2014：53-76.

[3] Nihei Y，Kozen M，Iijima K. Elastic Characteristics of TLP Type Offshore Wind Turbine[J]. American Society of Mechanical Engineers，2012，（1）：159-167.

[4] Nihei Y， Matsuura M， Murai M， et al. New Design Proposal for the TLP Type Offshore Wind Turbines[C].ASME 2013，International Conference on Ocean， Offshore and Arctic Engineering，2013：26.