漂浮式風(fēng)電場的基礎(chǔ)形式和發(fā)展趨勢

段金輝，李 峰，王景全，程建生

(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，南京 210007)

1 前言

煤、天然氣、石油及核能等非可再生能源是目前世界能源供應(yīng)的主要形式，但所帶來的環(huán)境污染(大氣污染、核殘料輻射污染等)不容樂觀。而風(fēng)能作為一種清潔的可再生綠色能源，開發(fā)效率高，經(jīng)濟(jì)性好，具有大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化前景，越來越受到世界各國的重視。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)能市場也迅速發(fā)展起來。近幾年來，世界風(fēng)能市場每年都以40%的速度增長。預(yù)計(jì)未來20～25年內(nèi)，世界風(fēng)能市場每年將遞增25%?，F(xiàn)在，風(fēng)能發(fā)電成本已經(jīng)下降到1980年的1/5。隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，風(fēng)能發(fā)電在商業(yè)上將完全可以與燃煤發(fā)電競爭［1］。

如今，風(fēng)電場主要分布在陸地和近海區(qū)域。陸上風(fēng)電場起步較早，發(fā)展比較成熟，但存在嚴(yán)重的用地矛盾、噪聲污染、優(yōu)良場址已逐漸開發(fā)完畢等問題，風(fēng)電的開發(fā)逐漸向海上轉(zhuǎn)移。例如，德國具有經(jīng)濟(jì)可開發(fā)性的陸上風(fēng)電開發(fā)已接近飽和;丹麥雖繼續(xù)開發(fā)陸上風(fēng)電，但其成本將高于現(xiàn)在常規(guī)電力價(jià)格水平，今后這些國家的風(fēng)電發(fā)展重點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到海上風(fēng)力資源的開發(fā)［2］，同時(shí)這也是世界可再生能源領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)方向。

2 海上風(fēng)電場類型

海上風(fēng)力資源豐富，比陸地風(fēng)力發(fā)電量大。通常，離岸10 km的海上風(fēng)速要比沿岸陸上高出25%［3］。深海區(qū)域的風(fēng)力資源比近海區(qū)域更為豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國海域在水深60～900 m處的海上風(fēng)力資源達(dá)到1 533 GW，而近海0～30 m的水域只有430 GW［4］(見圖1)。據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所等機(jī)構(gòu)的研究，中國近海10 m、20 m和30 m水深以內(nèi)的海域風(fēng)能資源分別約為1×108kW、3×108kW和4．9×108kW。若按照?qǐng)D1中數(shù)值比例計(jì)算，深海60～900 m處的海上風(fēng)能資源將約占17．4×108kW，這意味著海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展前景廣闊。

海上風(fēng)電場按所處海域位置分為淺海風(fēng)電場和深海風(fēng)電場。淺海風(fēng)電場在歐洲，特別是在丹麥、英國等國家起步早，發(fā)展也較迅速。一般適用于淺海區(qū)域水深0～30 m處，采用固定式基礎(chǔ)形式，目前應(yīng)用較多的是單樁式和重力式基礎(chǔ)。深海風(fēng)電場又稱漂浮式風(fēng)電場，采用漂浮平臺(tái)(或稱浮式基礎(chǔ))將風(fēng)電機(jī)組安置于深海區(qū)域。

圖1 海上風(fēng)能資源估計(jì)圖Fig．1 Estimation of offshore w ind energy resources

目前，國內(nèi)外對(duì)海上風(fēng)電場的開發(fā)僅限于淺海，所用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均為固定式基礎(chǔ)［5，6］，對(duì)固定基礎(chǔ)平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)研究也比較成熟［7］。浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的深海結(jié)構(gòu)形式，主要用于50 m以上水深海域，大多都采用海洋油氣工業(yè)常用的結(jié)構(gòu)形式，安裝水深可達(dá)到1 000 m以上。由于深海風(fēng)電機(jī)組承受荷載的特殊性、工作狀態(tài)的復(fù)雜性、投資回報(bào)效率等，這種基礎(chǔ)形式目前在風(fēng)電行業(yè)仍處于可行性研究階段。漂浮式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)支配因素主要有風(fēng)機(jī)的推力、上風(fēng)向風(fēng)機(jī)的偏航穩(wěn)定性、波浪荷載及其引起的運(yùn)動(dòng)(固有周期)。漂浮式基礎(chǔ)屬于柔性支撐結(jié)構(gòu)，能有效降低系統(tǒng)固有頻率，增加系統(tǒng)阻尼。根據(jù)海水深度和經(jīng)濟(jì)性考慮，深海風(fēng)電場一般采用漂浮式基礎(chǔ)。

3 漂浮式風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)形式

浮式基礎(chǔ)按照基礎(chǔ)上安裝的風(fēng)機(jī)數(shù)量分為多風(fēng)機(jī)式和單風(fēng)機(jī)式。多風(fēng)機(jī)式指在一個(gè)浮式基礎(chǔ)上安裝有多個(gè)風(fēng)機(jī)，但因穩(wěn)定性不容易滿足和所耗費(fèi)的成本過高，一般不予考慮。另一種是單風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)，這種基礎(chǔ)主要參考現(xiàn)有海洋石油平臺(tái)而提出［8］，因技術(shù)上有參考，且成本相對(duì)較低，是未來浮式基礎(chǔ)發(fā)展的主要考慮方向。目前，海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有荷蘭的三浮體結(jié)構(gòu)(Tri-Floater)(見圖2)，美國的張力腿結(jié)構(gòu)(NREL TLP)和日本的Spar結(jié)構(gòu)［9］。

盡管很多因素都會(huì)影響到浮式基礎(chǔ)平臺(tái)的尺寸、特性，但浮式基礎(chǔ)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)樣式仍是由靜穩(wěn)性決定的。根據(jù)平臺(tái)獲取靜穩(wěn)性原理將平臺(tái)分成3個(gè)大的類別。

3．1 壓載型平臺(tái)

圖2 荷蘭三浮體結(jié)構(gòu)Fig．2 Tri-floater of Holland

該類平臺(tái)主要是通過在平臺(tái)的重心以下壓載重物獲得復(fù)原力矩以及較高的橫搖和縱搖慣性抵抗力，這類平臺(tái)一般有較大的吃水。Spar平臺(tái)［10］就是這類平臺(tái)的典型代表，現(xiàn)在多用于海上油氣田的開發(fā)。傳統(tǒng)式Spar平臺(tái)，其主體是一個(gè)大直徑、大吃水的具有規(guī)則外形的浮式柱狀結(jié)構(gòu)，主體中一種是硬艙，位于殼體的上部，用來提供平臺(tái)的浮力。中間部分是儲(chǔ)存艙，在平臺(tái)建造時(shí)，底部為平衡穩(wěn)定艙(見圖3)。當(dāng)平臺(tái)已經(jīng)系泊并準(zhǔn)備開始生產(chǎn)時(shí)，這些艙則轉(zhuǎn)化為固定壓載艙，用于吃水控制。中部由系泊索呈懸鏈線狀錨泊于海底。系泊索由海底樁鏈、錨鏈和鋼纜組成。錨所承受的上拔荷載有打樁或負(fù)壓法安裝的吸力錨來承擔(dān)。

圖3 傳統(tǒng)Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig．3 Classic Spar p latform

將采油用的Spar平臺(tái)用于海上風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)，其工作原理相似，也是通過壓載艙使整個(gè)系統(tǒng)的重心低至浮心之下來保證整個(gè)風(fēng)機(jī)在水中的穩(wěn)定，再通過懸鏈線來保持整個(gè)風(fēng)機(jī)的位置。但結(jié)構(gòu)上可進(jìn)行改變和簡化，以適應(yīng)風(fēng)機(jī)的工況，如圖4(左)所示。

3．2 系泊纜式平臺(tái)

該類平臺(tái)主要通過系泊纜的張力獲得穩(wěn)定性，張力腿(TLP)［11，12］就是這類平臺(tái)的典型代表。如圖4(中)所示。傳統(tǒng)張力腿平臺(tái)主體一般都呈矩形或三角形，平臺(tái)上體位于水面以上，通過4根或3根立柱連接下體，立柱為圓柱形結(jié)構(gòu)，主要作用是提供給平臺(tái)本體必要的結(jié)構(gòu)剛度。平臺(tái)的浮力由位于水面下的沉體浮箱提供，浮箱首尾與各立柱相接，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。張力腿由1～4根張力筋腱組成，上端固定在平臺(tái)本體上，下端與海底基座模板相連或直接連接在樁基頂端。有時(shí)候?yàn)榱嗽黾悠脚_(tái)系統(tǒng)的側(cè)向剛度，還會(huì)安裝斜線系泊索系統(tǒng)，作為垂直張力腿系統(tǒng)的輔助。海底基礎(chǔ)將平臺(tái)固定入位，主要有樁基或吸力式基礎(chǔ)兩種形式。

圖4 海上風(fēng)電場浮式基礎(chǔ)概念圖Fig．4 Foating support p latform concept diagram of offshore w ind turbines

張力腿式平臺(tái)是利用繃緊狀態(tài)下的錨索產(chǎn)生的拉力與平臺(tái)的剩余浮力相平衡的。張力腿式平臺(tái)也是采用錨泊定位的，但與一般半潛式平臺(tái)不同。其所用錨索繃緊成直線，不是懸垂曲線，鋼索的下端與水底不是相切的，而是幾乎垂直的。用的是樁錨(即打入水底的樁為錨)或重力式錨(重塊)等，不是一般容易起放的抓錨。張力腿式平臺(tái)的重力小于浮力，所相差的力量可依靠錨索拉力來補(bǔ)償，而且此拉力應(yīng)大于由波浪產(chǎn)生的力，使錨索上經(jīng)常有向下的拉力，起著繃緊平臺(tái)的作用。張力腿式平臺(tái)自1954年提出設(shè)想以來，迄今已有50年歷史。

3．3 浮箱式平臺(tái)

該類平臺(tái)主要利用載重水線面面積通過分布浮力獲得復(fù)原力矩，大型平底駁船就是這類平臺(tái)的典型代表，如圖4(右)所示。壓載型基礎(chǔ)、系泊纜式基礎(chǔ)和浮箱式基礎(chǔ)都是海洋油氣工業(yè)中常見的結(jié)構(gòu)形式。依照石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，圖5列出一些風(fēng)電浮式基礎(chǔ)概念圖，并從左到右標(biāo)記為1～6。

圖5 深海浮式基礎(chǔ)概念圖Fig．5 Concept diagram of floating deepwater platform

浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成要素主要包括錨索、錨定地點(diǎn)、浮箱或壓載艙。每種要素的不同形式能組合成很多種浮式基礎(chǔ)形式，比如TLP平臺(tái)結(jié)構(gòu)中可以采用吸力式錨或者重力式錨，Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)中張索數(shù)目可以根據(jù)設(shè)計(jì)情況而變化等。但浮式基礎(chǔ)和錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在滿足性能穩(wěn)定的同時(shí)必須兼顧整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。就經(jīng)濟(jì)性而言，浮箱式基礎(chǔ)是利用載重水線面面積通過分布浮力來獲得復(fù)原力矩，結(jié)構(gòu)簡單且生產(chǎn)工藝成熟，單位吃水成本最低，經(jīng)濟(jì)性較好。TLP平臺(tái)看似結(jié)構(gòu)簡單成本較低，但由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自重的浮力，浮力抵消自重后的剩余浮力與預(yù)張力平衡，預(yù)張力作用在錨泊系統(tǒng)上，使錨索時(shí)刻處于張拉的繃緊狀態(tài)，將會(huì)造成錨泊系統(tǒng)和錨固基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)的復(fù)雜性［13］。

4 漂浮式風(fēng)電場的發(fā)展趨勢

4．1 單機(jī)容量大型化

風(fēng)力發(fā)電裝備的大型化，是近年來世界海上風(fēng)能利用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的趨勢。風(fēng)電機(jī)組自1980年以來，裝機(jī)容量及尺寸從容量100 kW轉(zhuǎn)子直徑17 m發(fā)展到容量5 MW轉(zhuǎn)子直徑超過100 m。未來幾年，漂浮式風(fēng)電場的開發(fā)必將帶動(dòng)風(fēng)電機(jī)組繼續(xù)朝向大型化方向發(fā)展。圖6為自1980年以來風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展歷程圖。

圖6 風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展歷程圖Fig．6 W ind turbine technology development process

4．2 低成本、無方向性的漂浮式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

的運(yùn)用

相對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有其自身的優(yōu)點(diǎn)。前者安裝維護(hù)不方便，且風(fēng)機(jī)重心高，風(fēng)險(xiǎn)性大。后者齒輪箱在底部，重心低，穩(wěn)定，維護(hù)方便，并且降低了成本。垂直軸風(fēng)力機(jī)不必迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可轉(zhuǎn)換360°方位中任何方向風(fēng)能為電能，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向固定。其葉片的尖速比要比水平軸的小，氣動(dòng)噪聲小，應(yīng)用區(qū)域增加。漂浮式垂直軸風(fēng)機(jī)集成了垂直軸技術(shù)和海上浮動(dòng)平臺(tái)技術(shù)，大大降低了成本并提高了離岸風(fēng)力渦輪的發(fā)電效率，圖7為各種不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)的示意圖［14］。

圖7 各種形式垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖Fig．7 Various vertical－ axis w ind turbines

4．3 建立非并網(wǎng)風(fēng)電多元化應(yīng)用系統(tǒng)

漂浮式海上風(fēng)電場遠(yuǎn)離陸地，將電力連接到電柵系統(tǒng)必須要修建很長的海底電纜，電纜越長，成本越高。所謂非并網(wǎng)風(fēng)電，簡言之，就是風(fēng)電的終端負(fù)荷不是電網(wǎng)，風(fēng)電可以直接應(yīng)用于某些特殊的工業(yè)生產(chǎn)。優(yōu)勢體現(xiàn)在:a．簡化風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行所需的大量輔助設(shè)備，大幅降低成本;b．風(fēng)電經(jīng)過處理可以直接應(yīng)用于某些特定產(chǎn)業(yè)，變成工業(yè)生產(chǎn)的“重要原料”;c．減輕風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響［15］。

漂浮式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不僅是為了充分利用海上風(fēng)力資源，更重要的是為日益增多的海上活動(dòng)提供能源，非并網(wǎng)風(fēng)電多元化應(yīng)用必將使世界從中受益匪淺。遠(yuǎn)洋輪船、深海遠(yuǎn)程潛艇、遠(yuǎn)程科學(xué)考察團(tuán)等可以在大海上直接獲取電能;開發(fā)海底石油和礦藏的工程隊(duì)也可以從海上風(fēng)力發(fā)電站獲得充分的電能;電能的保障為開發(fā)遠(yuǎn)海旅游項(xiàng)目提供了可能;非并網(wǎng)風(fēng)電可以直接應(yīng)用于海水淡化、氯堿、有色金屬冶煉及非金屬加工等大范圍高耗能產(chǎn)業(yè)。

5 結(jié)語

在風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展過程中，深海風(fēng)電場比近海風(fēng)電場更具有發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢。深海風(fēng)電場充分利用海洋資源，但投資過大、技術(shù)要求過高、平均發(fā)電成本過高仍是制約深海發(fā)電快速發(fā)展的瓶頸?，F(xiàn)在，深海區(qū)域風(fēng)力發(fā)電仍然處于早期發(fā)展階段，隨著深海風(fēng)電開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，深海風(fēng)能必將成為世界可再生能源的重要組成部分。我國深海區(qū)域風(fēng)力資源豐富，風(fēng)電的開發(fā)潛力巨大，應(yīng)積極支持并開展深海風(fēng)電場研究。借鑒國際上近期研發(fā)海洋平臺(tái)或深海風(fēng)電場，探討并提出具有前沿性和先進(jìn)性的深海風(fēng)電場建設(shè)方案，對(duì)我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展是有益的。

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