海上風電基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展分析

孫緒廷 楊丹良 馬純杰

(1.國家電力投資集團山東分公司，山東 濟南 250000;2.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266000； 3.濰坊市建筑設(shè)計研究院有限責任公司，山東 濰坊 261000)

1 概述

隨著世界經(jīng)濟形式的發(fā)展以及社會文明的不斷進步，能源問題逐漸顯現(xiàn)。發(fā)展高效清潔能源也成為各國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的必要前提。我國海岸線漫長，海上風能資源豐富。根據(jù)2009年國家氣候中心評估結(jié)果，離岸50.0 km范圍內(nèi)可以開發(fā)風能資源為7.58億kW，如此豐富的海上風能資源為我國的海上風電事業(yè)發(fā)展提供了極大可能。經(jīng)過多年發(fā)展，我國海上風電已經(jīng)逐漸步入正軌。然而如何高效地利用海上風能資源，已成為了新能源發(fā)展的使命與挑戰(zhàn)。海上風電機組基礎(chǔ)型式大致可分為重力式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、吸力筒基礎(chǔ)及浮式基礎(chǔ)等。國內(nèi)外學者對海上風電基礎(chǔ)進行了一些研究。王胤(2018)[1]對砂性土地基中吸力筒基礎(chǔ)沉貫性狀進行了模型試驗與理論分析。遲春廣(2017)[2]對海上風電基礎(chǔ)發(fā)展趨勢進行了分析。Fellenius(2015)[3]對海上風機鋼管樁基礎(chǔ)沉貫過程中土塞性狀進行了研究。Kelly等(2006)[4]對吸力筒基礎(chǔ)水平循環(huán)特性進行了模型試驗研究。本文以海上風電基礎(chǔ)為研究對象，對其發(fā)展概況及基礎(chǔ)型式進行分析探討。

2 海上風能資源發(fā)展

自1991年全球第一座海上風電場在丹麥開始運行以來，海上風電發(fā)展經(jīng)歷了二十余年的歷史。根據(jù)歐洲風能協(xié)會官方網(wǎng)站W(wǎng)ind Europe最新發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，歐洲在2018年共安裝了260萬kW海上風電，比2017年增長了18%，累計裝機達到1 850萬kW。相比歐洲各國，我國國內(nèi)風電市場也正以迅猛速度前進發(fā)展，截至目前為止，中國11個沿海省市中有9個省市擁有海上風電發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)海上風電規(guī)劃，全國海上風電規(guī)劃總量已經(jīng)達到75 GW，重點分布于江蘇、福建、廣東等沿海城市，海上風能開發(fā)前景廣闊。目前全國已并網(wǎng)海上風電裝機容量僅次于英國和德國，位居全球第三位。在此背景下，海上風電基礎(chǔ)的選型對海上風電發(fā)展具有重要影響。

3 海上風電基礎(chǔ)型式

3.1 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)通過自身的質(zhì)量使得風機矗立于海面上。相比其他基礎(chǔ)形式，重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，受到海床的影響不大，具有良好的穩(wěn)定性。

世界上早期的海上風電場都是采用重力式，Thornton Bank海上風電場是世界上第一個使用重力底座的商業(yè)海上風電場。該風電場所在位置水深約為12.0 m～27.5 m。該風電場使用重力底座，鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，中空，建造和運輸重量在1 200 t左右。安裝后使用細沙或碎石填滿，總重量超過6 000 t。

3.2 樁基礎(chǔ)

單樁基礎(chǔ)即為單根鋼管樁基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)特點是自重輕、構(gòu)造簡單、受力明確[5]。通過工廠預(yù)制可以保證管樁的質(zhì)量。一般來說，單樁基礎(chǔ)的直徑為3.0 m～4.5 m，材質(zhì)為鋼材。樁基礎(chǔ)是一種十分經(jīng)濟可靠的基礎(chǔ)形式，代表工程有英國London Array海上風電場等。

單樁基礎(chǔ)是目前世界上應(yīng)用最多的海上風機基礎(chǔ)形式。截至2017年年底累積數(shù)據(jù)顯示，歐洲共有3 270臺單樁基礎(chǔ)的風機，占總數(shù)的81.7%。

3.3 吸力筒基礎(chǔ)

吸力筒基礎(chǔ)由筒體和外伸段兩部分組成，筒體為底部開口頂部密封的筒型，外伸段為直徑沿著曲線變化的漸變單通。海上風電中常用到的吸力筒基礎(chǔ)一般為鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)形式。相比其他基礎(chǔ)形式，吸力筒基礎(chǔ)有以下優(yōu)點：造價低、施工速度較快，可回收利用等。

吸力筒基礎(chǔ)的發(fā)展離不開裙板基礎(chǔ)、吸力錨和吸力樁的發(fā)展[6-8]。20世紀70年代，挪威北海油田開始使用裙板重力式基礎(chǔ)，1973年由Phillips石油公司負責安裝的Ekofisk Doris儲油罐是首個裙板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物。2002年丹麥在Frederikshavn海上風電場的建設(shè)中為一臺V90風電機組安裝了直徑為12 m的桶形基礎(chǔ)，首次將這一基礎(chǔ)形式應(yīng)用于大型風電機組中[9]。

4 海上風電基礎(chǔ)的適用范圍

面臨復(fù)雜迅猛的發(fā)展態(tài)勢，各種各樣的基礎(chǔ)設(shè)計方案可謂層出不窮。海上風機在對基礎(chǔ)選擇時要考慮許多方面的因素。首先，海上風機基礎(chǔ)投資占總投資的20%～30%。其次，海洋環(huán)境與陸地環(huán)境存在較大區(qū)別，施工難度相對較大。

4.1 樁基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)主要用于包含深厚軟弱土層的大多數(shù)土質(zhì)，適用水深為10.0 m～25.0 m的軟土地區(qū)。由于我國海上風電場都位于近海淺水海域，理論上更適合單樁基礎(chǔ)，但實際來說單樁基礎(chǔ)在我國風電中應(yīng)用尚不普及。主要原因是缺少單樁的施工器械，同時潮間帶較淺的水深也會對施工船造成影響。

4.2 吸力筒基礎(chǔ)

隨著海上風電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，海上風機逐漸由淺海向深海發(fā)展。相比近海海域，深海海域具有范圍更廣、風力資源更豐富且不與航道沖突等優(yōu)勢。因此，涌現(xiàn)出許多新的基礎(chǔ)形式。如吸力筒基礎(chǔ)，一般來說，這種基礎(chǔ)形式更適用于水深在60.0 m以內(nèi)的海域。其主要通過自重和負壓沉貫可大大縮短施工時間，提高施工的經(jīng)濟性。

4.3 浮式基礎(chǔ)

浮式基礎(chǔ)由浮體部分、張力腱系統(tǒng)兩大部分組成。浮體上部與風機塔筒連接，下部伸出若干懸臂浮箱結(jié)構(gòu)提供浮力并與張力腱實現(xiàn)連接。張力腱為聚酯纜，下部與垂向受力錨連接。目前在挪威西南部海岸10 km處有一臺實驗式機組飄浮基礎(chǔ)投入運行。據(jù)開發(fā)Hywind項目的公司介紹，Hywind風力發(fā)電機組可適用于水深120 m～700 m的海域。

5 結(jié)論與展望

海上風電基礎(chǔ)型式對海上風電事業(yè)發(fā)展具有重要影響。針對不同海域，風電機組基礎(chǔ)形式不同，其安裝方法與控制體系也各不相同。