基于TOPSIS的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)樁基礎(chǔ)支架類型選擇

烏云娜+李敏+許儒航

摘 要：風(fēng)力發(fā)電，特別是海上風(fēng)電，是清潔能源中最有前景的一種。在不斷增加的水深處部署風(fēng)力渦輪機(jī)的過程中，選擇適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)支架結(jié)構(gòu)是一個問題。文章通過多目標(biāo)群決策方法TOPSIS（逼近理想解的排序方法）對海上風(fēng)電樁基支架方案排序，制定出選擇基準(zhǔn)。參考一個功率5.5兆瓦，參考深度40米的風(fēng)力渦輪機(jī)，從工程，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境屬性，比較單樁，三腳樁，導(dǎo)管架樁三種支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，選出最優(yōu)類型。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電樁基；選擇；TOPSIS

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0010-02

引言

縱觀風(fēng)電在世界的進(jìn)一步發(fā)展，由于海上空間的不受限制，較低的社會影響和更良好的風(fēng)資源條件，風(fēng)能發(fā)展的興趣逐漸移到海上。據(jù)文獻(xiàn)[1]估計，相比于陸上發(fā)電，相同條件下海上風(fēng)機(jī)可以多發(fā)出50%。雖然海上風(fēng)能發(fā)電有許多優(yōu)勢，但是海上風(fēng)電面臨著高建設(shè)成本，特別是基礎(chǔ)部分以及與岸上送電，并且由于海上與陸地的連接限制而引起操作和維護(hù)的困難?；剂蟽α康目萁撸剂系膬r格上漲及其對氣候變化的“貢獻(xiàn)”等各種危機(jī)迫使世界很多國家使用可持續(xù)能源替代化石能源。中國的地理條件使其擁有最好的風(fēng)力資源。為了要達(dá)到目標(biāo)，可以通過有效舉措如海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使這個行業(yè)更加經(jīng)濟(jì)有效。

本文旨在從一個典型的水深40米處5.5mw風(fēng)機(jī)支架入手，從三個最常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)通過多準(zhǔn)則決策方法的分析方法進(jìn)行優(yōu)選。在多目標(biāo)決策過程中，本文將從定量和定性指標(biāo)的方面考慮，應(yīng)用TOPSIS方法（逼近理想解的排序方法）對三種樁基支架方案進(jìn)行優(yōu)選評價。

1 TOPSIS方法

最優(yōu)的決策是考慮到多個因素的。例如單樁結(jié)構(gòu)支架經(jīng)濟(jì)性最好但是在增加生物多樣性方面則是最壞的選擇。多準(zhǔn)則決策法能夠在決策過程中考慮到多種因素條件下作出最好的選擇，于是此法將被采用。在可持續(xù)能源決策過程中，由于社會經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)影響的復(fù)雜性以及可持續(xù)目標(biāo)的多維性，多準(zhǔn)則決策分析方法被廣泛運(yùn)用。

TOPSIS方法是一種強(qiáng)大的綜合評價方法，廣泛應(yīng)用于評價問題。在權(quán)衡不同種類的評價方法后，由于其基本原理與本研究最貼合，所以被選擇。它的基本原理是最優(yōu)選擇應(yīng)該距離負(fù)理想解最遠(yuǎn)，而距離正理想解最近。此方法將定性與定量的評價指標(biāo)考慮在內(nèi)并遵循所示的步驟順序，確保實現(xiàn)客觀的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

評價指標(biāo)的規(guī)范化處理，公式如下：

xij：決策矩陣中排數(shù)I與列數(shù)J表述各屬性的值

rij：歸一化矩陣r中第i行第j列的元素

緊接著考慮到每個指標(biāo)的相對重要性確定權(quán)重（wj），后

通過下式再進(jìn)行賦權(quán)處理：

vij≡wj×rij

在獲得加權(quán)歸一化矩陣之后，正理想解PIS（A+）和負(fù)理想解NIS（A-）由下式?jīng)Q定：

最后計算各方案到正理想解與負(fù)理想解的距離，對各方案進(jìn)行綜合排序。

各方案與正理想解的接近度（C）的計算公式如下， C最接近于1的方案最佳。

2 目標(biāo)分析

本文對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行研究，圖1給出了不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)支架的示意圖研究范圍為三種最常見的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：單樁支架的設(shè)計很簡單，它的基礎(chǔ)是由管狀結(jié)構(gòu)延伸到海底，用在25米以內(nèi)的水深處；三腳樁支架是由三根圓柱形鋼管的三腳架結(jié)構(gòu)，在水深25米至50米處適用；導(dǎo)管架樁是由四根圓柱形鋼管組成的四腳架結(jié)構(gòu)，與三角樁相似，也適用于在水深25米和50米。

本研究的目的是對最常用的三種樁基支架方案進(jìn)行排序，這個問題有三個方案（m=3），九個目標(biāo)（n=9）。所有的目標(biāo)定義如下：

（1）人工礁石：越高越好，旨在代表為海洋生物提供加額外基質(zhì)定植從而增加生物多樣性，這種環(huán)境好處的大小是與各結(jié)構(gòu)的總的表面積成比例。

（2）認(rèn)證參數(shù)：積極的目標(biāo)。它表明如果基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是否能用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)。如果已應(yīng)用于海上風(fēng)電場，則認(rèn)證參數(shù)為1，如果沒有應(yīng)用于海上風(fēng)電場，但是已經(jīng)被注冊用于近海石油和天然氣行業(yè)，則認(rèn)證參數(shù)為0.5，如果兩者都沒有，則認(rèn)證參數(shù)為0。

（3）CO2排放：這是個消極的目標(biāo)，即排放量高低反映在生產(chǎn)制造不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的過程中排放的CO2量，本文只考慮鋼材的提取、制造、建設(shè)、運(yùn)輸過程中二氧化碳排放量、生產(chǎn)每公斤鋼產(chǎn)生的二氧化碳排放量。

（4）深度兼容性：這是個消極的目標(biāo)，代表各基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在40米水深處的兼容性。如果參考水深為40米以內(nèi)，則得分為1；如果參考水深擴(kuò)展范圍在40米以內(nèi)，最低參考值*0.75-最大參考值×1.25，則得分為2，如果參考水深的擴(kuò)展范圍超過40米，則得分為3。

（5）最大位移：這是個消極的目標(biāo)，表示外力作用下阻抗結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向位移。

（7）耐久性：這是個積極的目標(biāo)，與抵抗老化的能力有關(guān)。從相關(guān)文獻(xiàn)得出，取決于結(jié)構(gòu)暴露的腐蝕面積與結(jié)構(gòu)的疲勞消耗，耐久性評分標(biāo)準(zhǔn)從1到5。

（8）凈現(xiàn)值：這是個積極的經(jīng)濟(jì)評價目標(biāo)，表示不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電場產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)濟(jì)評價的目的是研究特定假設(shè)下建設(shè)一個新的海上風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效率。凈現(xiàn)值是將全壽命期的總成本轉(zhuǎn)化為現(xiàn)值。未來T年內(nèi)收入與費(fèi)用的現(xiàn)值以折現(xiàn)率i用如下計算公式計算：

PV（Xt）=Xt[（1+t）-t]

（9）最大凡米塞斯應(yīng)力：這是一種消極的目標(biāo)，用來對不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)支架的適用性進(jìn)行選擇，因為它涉及到材料的韌-脆轉(zhuǎn)變。

權(quán)重直接影響到?jīng)Q策的結(jié)果，而權(quán)重是由專家的實際工作經(jīng)驗得出，因此，專家的工作經(jīng)驗越豐富，結(jié)果就越客觀。權(quán)重將根據(jù)克蘭菲爾德岸可再生能源集團(tuán)的該領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗制定。通過問卷調(diào)查決定各個目標(biāo)的相對重要性。在利克特量表中，專家根據(jù)對問卷中的概念陳述給出同意或不同意的程度，使用5分里克特量表進(jìn)行打分。本文對里克特量表的分?jǐn)?shù)等級進(jìn)行優(yōu)化，1分表示非常不重要，2分表示不重要，3分表示比較重要，4分表示重要，到5分表示非常重要。

3 應(yīng)用

從每種基礎(chǔ)支架類型與正理想解的接近度的計算得出，三腳樁支架（0.61）最優(yōu)，優(yōu)于單樁支架（0.44）和導(dǎo)管樁支架（0.55）。為了進(jìn)一步分析，本文對權(quán)重大小作了敏感性分析，分析顯示出經(jīng)驗對于權(quán)重分配的重要作用。一組新的權(quán)重將會改變接近程度值從而改變綜合排序結(jié)果，三腳樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架基礎(chǔ)接近程度值都為（0.58）排名相同，但是單樁結(jié)構(gòu)得分（0.40）依舊排在第三名。

4 結(jié)束語

除了直接成本還考慮到其他目標(biāo)，并綜合本研究的結(jié)果，說明在既定假設(shè)下，總體上三腳樁支架結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的選擇。這很合理，因為雖然單樁支架最經(jīng)濟(jì)對環(huán)境的傷害也最小，但是相對于單樁三腳樁遭遇到的波共振更少。本文不僅考慮到地基結(jié)構(gòu)的內(nèi)部影響和環(huán)境操作荷載，還將工程經(jīng)濟(jì)環(huán)境目標(biāo)考慮在內(nèi)，TOPSIS法的應(yīng)用為不同海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)支架類型的優(yōu)選提供了最客觀的準(zhǔn)則。敏感性分析著重分析了TOPSIS法中權(quán)重，證明了不同目標(biāo)權(quán)重大小對總分的影響，增加了選擇排序水平的客觀性。

本研究未來的工作，應(yīng)該研究水深以及不同環(huán)境條件和其他目標(biāo)對最佳海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)支架類型選擇的影響。最后，定性目標(biāo)的歸一定量化也有利于決策結(jié)果更加明智。

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