漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢探討

包彩虹

摘 要 隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的逐步增大，淺海面積的進(jìn)一步受限，深水風(fēng)電的發(fā)展已然成為開發(fā)可再生能源的必然趨勢，而在深水風(fēng)電的研究中最重要的就是漂浮式基礎(chǔ)概念的提出。本文主要從風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)形式來對(duì)其技術(shù)發(fā)展進(jìn)行闡述分析，重點(diǎn)論述了TLP（張力腿式平臺(tái)）的發(fā)展現(xiàn)狀，并列舉闡述了國外典型TLP平臺(tái)的海上漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目，從而為我國大力發(fā)展漂浮式海上風(fēng)電提供良好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞 漂浮式風(fēng)機(jī);TLP平臺(tái);錨泊系統(tǒng)

引言

在石油資源形勢日益嚴(yán)峻、全球氣候逐漸變暖的情況下，海上風(fēng)能作為一種新的可再生能源，受到了大多數(shù)國家的青睞。國家能源局已于《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出：到2020年底，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1億千瓦以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500萬千瓦以上。由此可見，海上風(fēng)電是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向，也是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要支撐。

根據(jù)海水深度，海上風(fēng)電分為近海風(fēng)電（水深<50m）和深海風(fēng)電（水深>50m）。隨著近海風(fēng)資源的開發(fā)利用趨于飽和，以及風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的逐漸增大，海上固定式基礎(chǔ)所面臨的設(shè)計(jì)和施工挑戰(zhàn)越來越大，而漂浮式風(fēng)機(jī)為順應(yīng)系統(tǒng)，在環(huán)境條件作用下依靠系泊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，且視覺污染和噪音污染與近海風(fēng)電相比較小，因此漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展將在海上風(fēng)電的跨越式發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。目前，歐洲、日本等國家在海上風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展中一直處于領(lǐng)先地位，對(duì)于漂浮式基礎(chǔ)的研究也較為成熟，因此，研究國外漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)可為我國向深遠(yuǎn)海風(fēng)電場發(fā)展提供可能。

1漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式

歐洲研究報(bào)告指出，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(fēng)電技術(shù)的改革創(chuàng)新必然需要大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)型式。

早期的海上風(fēng)電基礎(chǔ)主要有單樁式、三腳架式和導(dǎo)管架式，而近幾年為適應(yīng)不同海床條件、水深以及機(jī)組和環(huán)境因素，海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開始越發(fā)多樣化。隨著離岸距離和水深的拓展以及系泊系統(tǒng)的研究，漂浮式基礎(chǔ)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要由錨固系統(tǒng)、錨錠地點(diǎn)和壓載艙組成，現(xiàn)在市場上主流的漂浮式基礎(chǔ)為半潛式、柱體式、張力腿式這三種形式，其中，根據(jù)錨鏈的受力狀態(tài)，又可將前兩類歸為懸鏈?zhǔn)交A(chǔ)，后一類為張緊式基礎(chǔ)。

1.1 TLP基礎(chǔ)

（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(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)較輕，具有獨(dú)特的筋腱系統(tǒng)，同時(shí)張力腿式吃水深度較淺，當(dāng)存在起伏、傾斜以及翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有較高的穩(wěn)定性[1]。

Crozier等人對(duì)兩種類型的TLP風(fēng)機(jī)概念做了大量的數(shù)字化對(duì)比，她發(fā)現(xiàn)被拖曳至目的地的TLP風(fēng)機(jī)比搬運(yùn)至目的地的具備更為有利的動(dòng)態(tài)性能[2];Jagdale等人使用時(shí)間域來分析四浮筒TLP設(shè)計(jì)，他們主要通過改變塔長、浮筒長、橫截面以及系泊纜繩的數(shù)量來評(píng)估平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[5];Tracy等人使用頻率域法分析了TLP的最佳參數(shù)[6];Nihei等人則提出了一種由3鋼絲和6筋腱組成的輕結(jié)構(gòu)，他們通過一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)筋腱會(huì)隨著漂流機(jī)制的改變而松弛隨之結(jié)構(gòu)遭到破壞[3-4]。

（2） 錨泊系統(tǒng)研究

錨泊系統(tǒng)的研究包括系泊和錨錠兩部分，目前漂浮式基礎(chǔ)上所使用的錨泊系統(tǒng)指懸鏈?zhǔn)交驈埦o式的系泊系統(tǒng)或者像張力腿平臺(tái)中固定基礎(chǔ)使用的筋腱系統(tǒng)。

國外大多數(shù)TLP平臺(tái)錨泊系統(tǒng)主要包括張力腿筋腱和錨固基礎(chǔ)兩個(gè)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(wěn)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(shù)也較為成熟。但采用鋼管作為TLP平臺(tái)張力腿時(shí)，需要在張力腿與海底基礎(chǔ)和平臺(tái)間連接處設(shè)置一個(gè)可任意方向擺動(dòng)的球角接頭，即張力腿連接器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造困難。目前這種連接器只有幾家公司有現(xiàn)成產(chǎn)品，其示意圖如圖1所示。

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

1.2 其他類型基礎(chǔ)形式

（1）半潛式基礎(chǔ)（SEMI-SUB）：主要利用浮力作用，通過將平臺(tái)浮于海水表面同時(shí)以懸鏈線固定于海底來實(shí)現(xiàn)，這種基礎(chǔ)通常需要一個(gè)大而重的結(jié)構(gòu)來保持穩(wěn)定，但吃水深度較低，需要通過主動(dòng)壓載設(shè)備來保持平臺(tái)水平。

（2）柱體式基礎(chǔ)（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(wěn)性。其結(jié)構(gòu)底部重而上部較輕，以此提高浮力的重心。Spar式結(jié)構(gòu)吃水深度大，可適用于大水深條件，但受到風(fēng)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(diǎn)、優(yōu)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(yuǎn)海水深條件相對(duì)于歐洲較淺，一般在40-60m之間。立柱式由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)，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(yuǎn)大于我國《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法》中規(guī)定“單個(gè)風(fēng)電機(jī)組塔架用海面積一般按塔架中心點(diǎn)至基礎(chǔ)外緣線點(diǎn)再向外50m為半徑的圓形區(qū)域”。同時(shí)張力腿基礎(chǔ)在外力（風(fēng)浪流）作用下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更好，對(duì)風(fēng)機(jī)的要求和發(fā)電量損失更小。

2國外漂浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展

2.1 發(fā)展歷程

漂浮式海上風(fēng)機(jī)主要是由風(fēng)渦輪機(jī)、塔筒、浮式平臺(tái)和錨泊系統(tǒng)組成，這一概念最早是由美國麻省理工學(xué)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(fā)用于承載海上風(fēng)機(jī)的浮動(dòng)式平臺(tái)。與傳統(tǒng)的海上風(fēng)力發(fā)電裝置不同，浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不需要在海底打樁再架起來，而是將其建在浮式平臺(tái)上，并通過系泊裝置相連接，由錨固系統(tǒng)固定在海床上，最終通過一條輸出電纜將產(chǎn)生的電力輸送到陸上電網(wǎng)。如今，歐洲漂浮式海上風(fēng)電市場百家爭鳴，隨著第一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)在挪威海域成功運(yùn)行，葡萄牙、德國、法國等海上風(fēng)資源豐富國家也相繼研發(fā)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(tái)的海上漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目

“Pela Star” “PelaStar”項(xiàng)目由美國Glosten公司歷經(jīng)多年開發(fā)，借鑒了mini-tlp的概念，浮式平臺(tái)由五個(gè)支臂和一個(gè)中心圓柱體組成，每個(gè)臂上都有一個(gè)纜索固定于海底，結(jié)構(gòu)重量較輕?！癙elaStar”于2011年被緬因大學(xué)選中進(jìn)行浮式風(fēng)電的示范工程，這是TLP浮式平臺(tái)的首次提出。2012年，“PelaStar”被ETI選中進(jìn)行風(fēng)浪測試，示范場址位于遠(yuǎn)離康沃爾的凱爾特海，計(jì)劃采用6MW Haliade海上風(fēng)電機(jī)組，但該工程由于場地許可的推延被擱置。最近，Glosten機(jī)構(gòu)正在尋求新的測試場址已完成這個(gè)試驗(yàn)。

“GICON-SOF” 德國2.3WM“GICON-SOF”風(fēng)機(jī)為典型張力腿式結(jié)構(gòu)，主要由四個(gè)圓柱體組成，其下則通過四個(gè)垂直的拉張式纜繩固定于海底，并且通過四個(gè)額外的拉張式纜繩來保持平臺(tái)的穩(wěn)定性。這個(gè)項(xiàng)目從2012年開始就經(jīng)歷了大量的水槽試驗(yàn)，并于2017年10月11日通過1：50模型的水池試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過程主要模擬了11.4米和12.9米的浪高，整座風(fēng)機(jī)表現(xiàn)非常穩(wěn)定。

3國內(nèi)漂浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展

我國海上風(fēng)能資源豐富，預(yù)估可達(dá)到750GM的可開發(fā)容量，目前僅僅掌握了在近海和潮間帶開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電技術(shù)，對(duì)于深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電的開發(fā)研究還處于空白地帶，因此研究深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電技術(shù)，可以將我國風(fēng)電建設(shè)推向風(fēng)能資源更加豐富的深遠(yuǎn)海域，為后續(xù)深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)場大規(guī)模開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4展望

隨著海上風(fēng)電進(jìn)一步向深遠(yuǎn)海域發(fā)展，其安裝和運(yùn)維成本居高不下是阻礙其發(fā)展的一個(gè)主要因素。因此，為了減少這些深遠(yuǎn)海風(fēng)電項(xiàng)目的生產(chǎn)，安裝和運(yùn)維成本，在固定式基礎(chǔ)持續(xù)進(jìn)步的同時(shí)，漂浮式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)也逐漸發(fā)展起來，并走出試驗(yàn)階段，走向商業(yè)化應(yīng)用。

歐洲海上漂浮式風(fēng)電一直是這個(gè)行業(yè)的領(lǐng)頭軍，在歐洲委員會(huì)及各國政府的資金支持下，其國內(nèi)的企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)投入了大量的研究資源，目前已提出了許多新的概念，并進(jìn)行了各型漂浮風(fēng)機(jī)的物模試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算分析，建設(shè)了樣機(jī)，同時(shí)相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范（ABS、DNV）也已陸續(xù)出版，未來漂浮式風(fēng)機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用指日可待。

我國海上風(fēng)能資源豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的條件，雖然漂浮式風(fēng)電研究起步較晚，但可充分借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)漂浮式風(fēng)電的“彎道超車”。

參考文獻(xiàn)

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