海上可移動式風(fēng)機(jī)裝備研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題

劉曉雷，徐勝文，汪學(xué)鋒，孫紅軍

（1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.中海油融風(fēng)能源有限公司，上海 200335）

0 引 言

隨著日益增長的能源需求與日益惡化的生存環(huán)境之間的矛盾凸顯，可再生能源在世界范圍內(nèi)逐漸受到重視，其增長趨勢迅猛。在各種可再生能源中，風(fēng)能作為一種穩(wěn)定、高效、清潔的新能源，逐漸受到世界各國的重視，近年來風(fēng)能利用技術(shù)和開發(fā)裝備呈現(xiàn)爆發(fā)式的進(jìn)步和增長。2022年，全球年新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到77.6 GW（見圖1），近5 年的平均年增長率為13%。由于陸上土地使用政策的各種限制、海上空間資源更大和海風(fēng)資源更強(qiáng)勁、更穩(wěn)定等原因，風(fēng)能開發(fā)逐漸從陸地走向海洋。2018年至2021 年海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量從4.4 GW 增長到21.1 GW，其中我國貢獻(xiàn)了50%左右，約等于世界其他各國的新增裝機(jī)總和[1]。海上風(fēng)電作為我國可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，一方面有利于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，另一方面也有利于推動能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和構(gòu)建能源安全體系。

圖1 全球風(fēng)能理事會公布的風(fēng)電裝機(jī)數(shù)據(jù)Fig.1 Wind power installation data released by Global Wind Energy Council

根據(jù)《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》[2]介紹，我國50 米以內(nèi)水深的近海固定式風(fēng)電儲量為5 億千瓦，水深50～100米的風(fēng)電儲量為15.3億千瓦，遠(yuǎn)海風(fēng)能儲量為9.2億千瓦，其中水深大于50米的遠(yuǎn)海風(fēng)電儲量占比超過80%。另外，隨著近海風(fēng)電的持續(xù)高強(qiáng)度開發(fā)，近海風(fēng)電與近海漁業(yè)、航運(yùn)業(yè)的矛盾更加突出[3]（見圖2），近海風(fēng)電的發(fā)展空間受限，因此，加大開發(fā)更深、更遠(yuǎn)海域的風(fēng)能是必然趨勢。

圖2 近海風(fēng)電與漁業(yè)、航運(yùn)業(yè)的矛盾Fig.2 Contradiction between offshore wind power and fishery&shipping industries

由于固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)（有效水深小于60 m）的投資成本隨水深加大而急劇增加[4]，為此，近年來學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開發(fā)了采用系泊系統(tǒng)的浮式風(fēng)機(jī)，如我國兩臺系泊漂浮樣機(jī)（三峽“引領(lǐng)號”[5]和中船“扶搖號”[6]，如圖3 所示）已于近期成功就位并開始發(fā)電。但是考慮到安裝和采購成本等原因，系泊式漂浮風(fēng)機(jī)的有效作業(yè)水深小于200 m[7]，難以開發(fā)更深海域中蘊(yùn)含的大部分風(fēng)能。另外，對于很多遠(yuǎn)離電網(wǎng)的遠(yuǎn)海用電場景[8]，還面臨著能源補(bǔ)給成本高和亟需節(jié)能減排等問題。

圖3 我國系泊式漂浮風(fēng)電樣機(jī)Fig.3 Chinese moored floating wind power prototype

為了開發(fā)更豐富的深遠(yuǎn)海風(fēng)能和滿足遠(yuǎn)離電網(wǎng)的深遠(yuǎn)海用電需求，2021 年上海交通大學(xué)與橫濱國立大學(xué)Xu 等[9]率先提出了可移動式風(fēng)電裝備概念（圖4（a）），開展了基于簡化風(fēng)力發(fā)電模型和動力定位控制系統(tǒng)的漂浮風(fēng)機(jī)可行性研究?？梢苿邮斤L(fēng)機(jī)是一種既能利用海上風(fēng)資源進(jìn)行發(fā)電儲能，又具備一定自航能力的海上能源裝備。相比于系泊漂浮風(fēng)機(jī)存在的水深受限、系泊錨固成本高和拆裝困難等問題，可移動式風(fēng)機(jī)海上可布設(shè)的空間更廣闊，可以自動尋找更優(yōu)的風(fēng)資源，對環(huán)境的影響更小，應(yīng)用場景更多、更靈活，智能化特色更明顯，因而發(fā)展?jié)摿Ω?。在?jīng)濟(jì)性方面，系泊漂浮式風(fēng)機(jī)的系泊系統(tǒng)采購成本一般占整體建造成本的11%左右[64]，而且系泊系統(tǒng)的安裝費(fèi)用隨水深增大而劇增，相比之下，可移動式風(fēng)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)建造成本要遠(yuǎn)小于系泊系統(tǒng)。雖然可移動式風(fēng)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)會持續(xù)消耗風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能，在相同風(fēng)速條件下，可移動式風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)有效發(fā)電功率會低于系泊漂浮風(fēng)機(jī)，但是可移動式風(fēng)機(jī)的航行能力卻使其可以前往風(fēng)力更穩(wěn)定更安全的海域，故而可移動式風(fēng)機(jī)全服役周期內(nèi)的有效發(fā)電量反而可能會大于系泊漂浮風(fēng)機(jī)。

圖4 可移動式風(fēng)機(jī)及其應(yīng)用場景Fig.4 Mobile wind turbine and its application scenarios

可移動式風(fēng)機(jī)裝備可為深遠(yuǎn)海作業(yè)的船舶、海洋平臺等生產(chǎn)生活設(shè)施提供可持續(xù)和低成本的清潔能源[10]，其典型應(yīng)用場景（見圖4（b）～（h））有：

（1）移動作業(yè)的船舶和海洋平臺：海洋油氣鉆井平臺、海上起重船、鋪管/鋪纜船、深海采礦船、養(yǎng)殖工船、絞吸式挖泥船等。這一類裝備的作業(yè)特點(diǎn)在于轉(zhuǎn)場頻次高、頻繁轉(zhuǎn)換作業(yè)地點(diǎn)和用電需求大[11-12]。由于可移動式風(fēng)機(jī)靈活性大，故可充當(dāng)此類裝備的“移動充電寶”，支撐其持續(xù)作業(yè)，減少補(bǔ)給成本。

（2）海上民用運(yùn)輸船舶，比如遠(yuǎn)洋客船和貨船[13]。深遠(yuǎn)海分布的可移動式風(fēng)機(jī)，可以為遠(yuǎn)洋客船和貨船提供“遠(yuǎn)海充電”，使其快速充電或更換儲能電池。

（3）深遠(yuǎn)海定點(diǎn)作業(yè)的海洋平臺，比如油氣生產(chǎn)平臺、漁業(yè)養(yǎng)殖平臺、浮式生產(chǎn)儲油輪（FPSO）、海洋環(huán)境監(jiān)測平臺和未來海上數(shù)據(jù)中心[14-16]。配置多臺可移動式風(fēng)機(jī)，通過電纜連接可為這些裝備持續(xù)輸電，實(shí)現(xiàn)即發(fā)即用。

（4）海島生產(chǎn)和居民用電[17]。我國是名副其實(shí)的“萬島之國”，海島數(shù)量大、分布廣、用電需求差異明顯。目前對于離岸較近的海島，普遍采用聯(lián)網(wǎng)用電，通過電纜將大陸與海島的電網(wǎng)連接起來。而對于遠(yuǎn)離海岸的海島，聯(lián)網(wǎng)成本極高，一般依靠自備柴油發(fā)電機(jī)組供電，但燃料補(bǔ)給運(yùn)輸成本高、環(huán)境污染大、用電成本高，影響海島產(chǎn)業(yè)和居民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[18]。因此根據(jù)海島用電需求和當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件，配備合適的可移動式風(fēng)機(jī)的機(jī)組、數(shù)量和電網(wǎng)接入方式，可有效緩解當(dāng)?shù)赜秒婋y、成本高的問題。

由于可移動式風(fēng)機(jī)具有綠色環(huán)保、靈活布置和不受水深限制等特點(diǎn)，其概念一經(jīng)提出就引起了國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。同期，Willeke[19]對一種Spar形式的移動式風(fēng)機(jī)開展了可行性研究，研究發(fā)現(xiàn)Spar 形式風(fēng)機(jī)搖擺運(yùn)動穩(wěn)定性差，通過下浮體增加構(gòu)件可得以有效改善；Connolly 和Crawford[20-21]提出了一種理想的風(fēng)機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)解析模型，用以進(jìn)行可移動風(fēng)機(jī)發(fā)電效率研究，首先與Xu等[9]結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型正確性，然后詳細(xì)研究了浮體阻力、風(fēng)機(jī)、推進(jìn)器尺寸對發(fā)電效率的影響；Raisanen 等[22]提出利用可移動式風(fēng)機(jī)組成開闊海域大型風(fēng)場，通過制氫儲存能源；另外，據(jù)悉Kongsberg Maritime Inc.也在聯(lián)合著名高校的專家、教授和學(xué)者組建聯(lián)合體，就可移動式風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景和未來發(fā)展趨勢等進(jìn)行深入調(diào)查研究。

2022 年，挪威航運(yùn)巨頭Odfjell 集團(tuán)子公司Odfjell Oceanwind 計(jì)劃建設(shè)一支可移動式海上風(fēng)機(jī)（MOWU，Mobile Offshore Wind Units）船隊(duì)[23]，主要為遠(yuǎn)海微網(wǎng)供電，促進(jìn)海上油氣生產(chǎn)脫碳。根據(jù)海上油氣作業(yè)的用電需求，MOWU 可快速部署到油田中并提供臨時(shí)電力。該模式非常適合為這種有限時(shí)間的油田生產(chǎn)作業(yè)提供電力。Odfjell Oceanwind 專門設(shè)計(jì)了一款新的漂浮式基礎(chǔ)Deepsea Semi，最大可安裝15MW 風(fēng)機(jī)，適用于60～1300 m 水深，該基礎(chǔ)已獲得挪威船級社DNV 頒發(fā)的原則性批準(zhǔn)（approval in principle），主要結(jié)構(gòu)認(rèn)證（main scantling approval）正在進(jìn)行，首批移動式海上風(fēng)機(jī)計(jì)劃于2024年投入使用。近期，Odfjell Oceanwind與歐洲能源集團(tuán)Source Galileo Norge簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，以推動可移動式海上風(fēng)機(jī)發(fā)展[24]。

可以看到，國內(nèi)外關(guān)于可移動式風(fēng)機(jī)的研究均剛剛起步，為了加快我國開發(fā)可移動式風(fēng)機(jī)裝備的步伐，同時(shí)提高深遠(yuǎn)海資源開發(fā)技術(shù)能力，有必要梳理出可移動式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、建造和工程應(yīng)用過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。對于系泊漂浮式風(fēng)機(jī)以及動力定位（DP）領(lǐng)域已經(jīng)取得的研究成果也需要靈活采納，避免重復(fù)研究。本文結(jié)合國內(nèi)外最新的相關(guān)研究資料，結(jié)合作者自身的理解和探索，對研制可移動式風(fēng)機(jī)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問題進(jìn)行了探討，期望為該領(lǐng)域研究人員提供一些參考。

1 可移動式風(fēng)機(jī)的顯著特征

與系泊漂浮風(fēng)機(jī)等海洋工程結(jié)構(gòu)物相比，可移動式風(fēng)機(jī)具有如下多個特征：

（1）在系統(tǒng)組成及功能上，可移動式風(fēng)機(jī)與其他海洋工程結(jié)構(gòu)物有很大的差異。與系泊漂浮風(fēng)機(jī)相比，可移動式風(fēng)機(jī)無系泊系統(tǒng)，其定位功能通過帶DP的推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，因此可移動式風(fēng)機(jī)具備航行功能；而與帶DP 動力定位的工程船舶相比，可移動式風(fēng)機(jī)上配置發(fā)電設(shè)施和儲能裝置[26]，因此又具備發(fā)電-儲能-輸電能力，但因重心較高，需要重點(diǎn)關(guān)注其穩(wěn)性。

（2）可移動式風(fēng)機(jī)具有獨(dú)特的發(fā)電模式。雖然整體上深遠(yuǎn)海的風(fēng)資源更強(qiáng)勁、更穩(wěn)定，但是海上風(fēng)向、風(fēng)速是隨時(shí)間和空間變化的?？梢苿邮斤L(fēng)機(jī)的航行能力，應(yīng)結(jié)合天氣預(yù)報(bào)及歷年風(fēng)資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，使其可以自動前往風(fēng)力更穩(wěn)定、更安全的海域[26]，即可動態(tài)調(diào)整發(fā)電地點(diǎn)，也可邊航行、邊發(fā)電，還可提前避開臺風(fēng)路徑。圖5為某海域風(fēng)能密度統(tǒng)計(jì)值及最優(yōu)路徑規(guī)劃示意圖。

圖5 某海域風(fēng)能密度統(tǒng)計(jì)值及最優(yōu)路徑規(guī)劃示意圖[25]Fig.5 Statistical values of wind energy density and schematic diagram of optimal path planning in a certain sea area [25]

（3）考慮到系泊纜之間不能互相干擾，因此系泊式漂浮風(fēng)機(jī)之間需要保持較大距離，一般需大于3～6 倍水深[27]。而對于可移動式風(fēng)機(jī)來說，只要配置成熟的智能避碰功能，在有限的海域范圍可以布設(shè)更多的風(fēng)機(jī)，因此可移動式風(fēng)機(jī)應(yīng)用更靈活，智能化特色更明顯。

（4）可移動式風(fēng)機(jī)在定點(diǎn)發(fā)電、按照既定路徑移動和對外輸電作業(yè)時(shí)，不能讓它隨風(fēng)浪流任意漂移[28]，因此帶動力定位功能的推進(jìn)系統(tǒng)極為重要，需要有足夠的推進(jìn)能力和操縱性。

（5）可移動式風(fēng)機(jī)是一種前所未有的新型海洋工程結(jié)構(gòu)物，集抗沉、發(fā)電、儲能、輸電和推進(jìn)于一體，技術(shù)挑戰(zhàn)性更高，系統(tǒng)組成和動態(tài)響應(yīng)更復(fù)雜，因此需要建立一種適合可移動式風(fēng)機(jī)的動態(tài)響應(yīng)分析方法，指導(dǎo)其工程設(shè)計(jì)。

（6）在惡劣多變的海洋環(huán)境下，可移動式風(fēng)機(jī)的典型工況有定點(diǎn)/航行發(fā)電、按照既定路徑航行、連接/解脫輸電、避碰障礙物和臺風(fēng)避險(xiǎn)等，因此需要建立適應(yīng)復(fù)雜多工況的可移動式風(fēng)機(jī)作業(yè)策略。

（7）可移動式風(fēng)機(jī)的成本投入和經(jīng)濟(jì)效益與系泊漂浮風(fēng)機(jī)不同，主要體現(xiàn)在：可移動式風(fēng)機(jī)的投入使用可在合適的碼頭完成，而系泊漂浮風(fēng)機(jī)需要采購、安裝系泊和錨固系統(tǒng)，并且要將風(fēng)機(jī)濕拖或干拖至工作海域[29]；可移動式風(fēng)機(jī)運(yùn)維方便、幾乎無拆除成本，而系泊漂浮風(fēng)機(jī)的拆卸成本巨大；可移動式風(fēng)機(jī)動力定位系統(tǒng)安裝成本高，并且運(yùn)營消耗自身電力儲備，因此需要對其長期發(fā)電量和耗電量進(jìn)行對比，優(yōu)化系統(tǒng)配置；系泊漂浮風(fēng)電場一般要配備海上升壓站和長距離電纜[30]，并且有消納壓力，而可移動式風(fēng)機(jī)主要為海上平臺和工作船舶等供電，不需要昂貴的輸電裝備，幾乎無消納壓力。

（8）與其他海上風(fēng)機(jī)相比，可移動式風(fēng)機(jī)對海洋生態(tài)環(huán)境的影響更小。系泊和固定風(fēng)機(jī)的水下定位裝置對工作海域的生態(tài)環(huán)境影響巨大，尤其是在安裝階段[31]。可移動式風(fēng)機(jī)不需要水下定位裝置、靈活選擇作業(yè)海域的特性，使其可以避開海洋生物的棲息地和遷徙路徑。

由于這些特點(diǎn)，使得可移動式風(fēng)機(jī)在研制和開發(fā)過程中有許多理論問題和工程實(shí)際問題需要解決。以往的研究經(jīng)驗(yàn)表明，對相關(guān)理論問題的探索，還可以促進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科和交叉學(xué)科的發(fā)展，提高我國的基礎(chǔ)研究水平。因此，選擇可移動式風(fēng)機(jī)的研究和開發(fā)，除了能有效緩解全球突出的環(huán)境保護(hù)問題、提高深遠(yuǎn)?？臻g資源和可再生能源開發(fā)能力，還具有較大的理論意義。

2 可移動式風(fēng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)問題

根據(jù)可移動式風(fēng)機(jī)的顯著特征，在研究和研制可移動式風(fēng)機(jī)的過程中需要解決一系列的理論問題和工程實(shí)際問題。

2.1 基礎(chǔ)選型

可移動式風(fēng)機(jī)主要包括浮式基礎(chǔ)、塔架、風(fēng)機(jī)、推進(jìn)器和儲能裝置，后四者的選型主要依賴于浮式基礎(chǔ)的尺度和性能，所以可移動式風(fēng)機(jī)需要重點(diǎn)考慮其浮式基礎(chǔ)選型。系泊漂浮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)通常有四種結(jié)構(gòu)形式（見圖6）：半潛式、Spar 立柱式、張緊式和駁船式[32]。半潛式基礎(chǔ)形式上構(gòu)造比較復(fù)雜，但是耐波性能優(yōu)異，適宜在較為惡劣的海洋環(huán)境中生存；立柱式基礎(chǔ)由于重心較低且水線面積相對較小，因此具備較好的穩(wěn)性和水動力性能，另外還可以通過在立柱上設(shè)置螺旋側(cè)板降低其渦激運(yùn)動[33]；張緊式基礎(chǔ)整體垂向運(yùn)動較小[34]，但是張力筋腱疲勞性能較差，并且采購和安裝成本高；駁船式基礎(chǔ)由于垂蕩和搖擺周期短，所以整體耐波性較差，通過合理的設(shè)計(jì)，中間月池尺寸可以有效改善其耐波性能[35]。整體上來看，前三種形式基礎(chǔ)的水動力性能較好，但其水下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、吃水大、且迎流面積大，而第四種形式正好相反。船型基礎(chǔ)由于具有流線型下船體，所以也是可移動式風(fēng)機(jī)的一個潛在可行選項(xiàng)。因此，如何根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇可移動式風(fēng)機(jī)合適的基礎(chǔ)形式，是首先需要解決的問題。合理選型需要全面考慮各種因素，具體有：（1）工作海域環(huán)境；（2）對性能的要求，比如快速性、穩(wěn)性、耐波性等；（3）推進(jìn)器、儲能裝置和基礎(chǔ)形式的匹配；（4）全生命周期的經(jīng)濟(jì)成本；（5）國內(nèi)的相關(guān)建造和采購配套能力；（6）對生態(tài)環(huán)境的影響。準(zhǔn)確考慮和評價(jià)這些因素需要依賴科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，而模型的建立又離不開相關(guān)理論的發(fā)展和試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 目前主流的幾類系泊漂浮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)[32]Fig.6 Main types of foundation for moored floating wind turbine

2.2 概念可行性論證

選型后首先要進(jìn)行概念可行性論證，需要確定材料、制造工藝、運(yùn)輸和安裝方法，然后通過基本的靜態(tài)理論模型，對概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行發(fā)電能力估算、耗能估算、作業(yè)能力評價(jià)、成本估算、壽命估算和經(jīng)濟(jì)效益估算[36]，這些確定依據(jù)和估算方法的理論基礎(chǔ)仍然離不開科學(xué)的數(shù)學(xué)模型。

2.3 可移動式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動力分析、設(shè)計(jì)技術(shù)

由于可移動式風(fēng)機(jī)涉及浮式基礎(chǔ)的水動力、風(fēng)機(jī)的氣動力、風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的伺服載荷、推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力，而這些物理量之間又存在高度的耦合關(guān)系，因此可移動式風(fēng)機(jī)動力特性的預(yù)報(bào)方法與一般的船舶以及海洋平臺相比有很大的區(qū)別[37]，從而決定了它是可移動式風(fēng)機(jī)研制過程中需要解決的重點(diǎn)問題。因此，有必要建立考慮浮式基礎(chǔ)的水動力、風(fēng)機(jī)的氣動力、風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的伺服載荷、推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力的可移動式風(fēng)機(jī)動力系統(tǒng)仿真技術(shù)，對各個部件進(jìn)行準(zhǔn)確建模，計(jì)入所有載荷的影響，這是可移動式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究：

（1）由于可移動式風(fēng)機(jī)比固定式風(fēng)機(jī)和漂浮風(fēng)機(jī)的工況更多，所以需要通過研究考慮多工況的浮式基礎(chǔ)、風(fēng)電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)匹配技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)整體的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

（2）可移動式風(fēng)機(jī)是否具備可行性的一個重要方面，是其發(fā)電量能否有效覆蓋其定點(diǎn)和航行作業(yè)時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)的耗能[38]，因而建立海洋環(huán)境條件下可移動式風(fēng)機(jī)作業(yè)能力的分析技術(shù)是非常必要的。

（3）海洋環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是極端海況會在可移動式風(fēng)機(jī)上形成巨大的波浪作用力[39]，因此，需要建立極端海洋環(huán)境下整機(jī)系統(tǒng)安全性校核技術(shù)。

2.4 深遠(yuǎn)?？梢苿邮斤L(fēng)機(jī)裝備作業(yè)決策技術(shù)

雖然海洋環(huán)境復(fù)雜多變，但是在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)，風(fēng)浪環(huán)境是相對平穩(wěn)的，此時(shí)可移動式風(fēng)機(jī)就凸顯出其靈活性的優(yōu)勢，在基于天氣預(yù)報(bào)和海風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫的條件下，建立可移動式風(fēng)機(jī)自動尋優(yōu)的作業(yè)規(guī)劃技術(shù)[40]，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率最大化。

由于可移動式風(fēng)機(jī)作業(yè)方式的獨(dú)特性，還必須基于不同的海況條件和作業(yè)模式，選擇不同的風(fēng)電機(jī)組控制策略（變槳、偏航、停機(jī)等[41]）。對于臺風(fēng)等極端天氣，可移動式風(fēng)機(jī)可以避開臺風(fēng)路徑進(jìn)行作業(yè)。還需建立可移動式風(fēng)機(jī)的抗臺技術(shù)，以應(yīng)對無法避開臺風(fēng)的情形。

2.5 深遠(yuǎn)?？梢苿邮斤L(fēng)機(jī)充電裝備連接輸電和解脫方案安全性評估技術(shù)

可移動式風(fēng)機(jī)的“海上充電寶”功能，是通過與用電平臺連接輸電實(shí)現(xiàn)的。理論上講，在海洋環(huán)境中可移動式風(fēng)機(jī)和用電平臺上運(yùn)動幅度最小的位置一般位于船舯，故將連接裝置設(shè)置在該位置處可以提高連接接頭的可靠性。不同用電平臺有不同的電量功率需求、總布置以及運(yùn)動特性，因此需要進(jìn)行連接輸電和解脫方案的需求分析與設(shè)計(jì)研究。在用電平臺和可移動式風(fēng)機(jī)整個連接過程中，需要防止兩者距離過近導(dǎo)致碰撞或者兩者遠(yuǎn)離導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)的破壞，即需要進(jìn)行連接和解脫工況下推進(jìn)器控制策略研究，將兩者距離及相對方位角限制在安全范圍內(nèi)，在對連接和解脫這一物理過程安全性進(jìn)行評估時(shí)，必須準(zhǔn)確計(jì)入多浮體之間的水動力干擾。

2.6 可移動式風(fēng)機(jī)整機(jī)工況水池模型試驗(yàn)技術(shù)

任何一個理論的建立及發(fā)展，都離不開試驗(yàn)的驗(yàn)證。從上述內(nèi)容可以看到，在可移動式風(fēng)機(jī)的研究及設(shè)計(jì)過程中，可以發(fā)展出一系列新理論和方法，但其準(zhǔn)確性往往需要通過試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證，雖然實(shí)尺度或者小規(guī)模的樣機(jī)海上試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果更加準(zhǔn)確[42]，但其成本太高，而且海洋環(huán)境不可控，很難定量得出各個因素的影響，因此，大縮尺比模型的水池試驗(yàn)（見圖7）是現(xiàn)在的主流手段?？梢苿邮斤L(fēng)機(jī)作為新型海洋工程浮式結(jié)構(gòu)物，直接采用已有浮式風(fēng)機(jī)或者船舶的試驗(yàn)方法是行不通的，主要原因在于：

圖7 漂浮風(fēng)機(jī)水池試驗(yàn)[32]Fig.7 Floating wind turbine model test[32]

（1）隨著風(fēng)電機(jī)組容量增加，葉片長度和塔架高度也在不斷增大，結(jié)構(gòu)柔性所引起的高階非線性響應(yīng)逐漸顯著，因此在模型設(shè)計(jì)時(shí)也需要體現(xiàn)可移動式風(fēng)機(jī)的剛?cè)狁詈咸匦訹43]；

（2）模型試驗(yàn)時(shí)需要保證氣動、水動和推進(jìn)載荷同時(shí)相似，只采用Froude 相似或者雷諾相似是不可行的[44]，可以采用混合縮尺比結(jié)構(gòu)，建立一種適合可移動式風(fēng)機(jī)的全耦合水池模型試驗(yàn)技術(shù)。

（3）有效發(fā)電功率是可移動式風(fēng)機(jī)的顯著特性，因此需要保證電能在水池模型和真實(shí)物理場景下的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且要同時(shí)模擬可移動式風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率和耗電功率。

（4）對于可移動式風(fēng)機(jī)典型的操作工況，在水池試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)連接輸電和自動解脫也是較大的挑戰(zhàn)，尚無傳統(tǒng)海洋平臺相關(guān)水池的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可供參考。

（5）在系泊漂浮風(fēng)機(jī)生存工況水池試驗(yàn)時(shí)，其定位性能是依靠系泊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。另外，水池模擬海洋平臺的DP性能一般會選擇較低的海況。因此，需要建立高海況條件下可移動式風(fēng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)可靠性的水池試驗(yàn)技術(shù)。

2.7 建造及安裝技術(shù)

與傳統(tǒng)海洋平臺和船舶的建造流程基本相同，目前漂浮風(fēng)機(jī)的建造主要在船塢內(nèi)完成，風(fēng)電機(jī)組安裝在碼頭完成，利用濕拖作業(yè)到達(dá)目標(biāo)海域進(jìn)行系泊安裝（見圖8）。但是未來可移動式風(fēng)機(jī)的需求量巨大，而國內(nèi)沿海城市的船塢數(shù)量不足并且使用成本較高[45]，如果進(jìn)行大批量采購，則對單個機(jī)組的成本非常敏感，因此，開發(fā)兼具技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性的可移動式風(fēng)機(jī)的批量建造技術(shù)是非常重要的。比如，模塊化預(yù)制件可以提高建造效率[46]，這就要求可移動式風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取模塊化的思路。另一方面，可以考慮直接在碼頭上進(jìn)行浮式基礎(chǔ)的制造和安裝，這樣可以大幅減少建造和運(yùn)輸成本。

圖8 駁船式漂浮基礎(chǔ)建造和漂浮風(fēng)機(jī)濕拖Fig.8 Construction of barge type floating foundation and sea-transportation of wind turbine (in-water towing)

2.8 可服役性、耐久性

當(dāng)可移動式風(fēng)機(jī)對外連接輸電時(shí)，波頻運(yùn)動及風(fēng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)振動，可能會削弱連接接頭的抗疲勞性能，為此可采用被動式的液艙減搖系統(tǒng)，減小整體的搖蕩運(yùn)動。

因?yàn)樘鞖庾兓?，可移動式風(fēng)機(jī)在海上有可能存在GPS 位置信息丟失的情形[47-48]，因此需要在每臺風(fēng)機(jī)上配備短距離位置通信系統(tǒng)，結(jié)合路徑規(guī)劃和智能避障功能，從而避免海上碰撞。

耐久性對可移動式風(fēng)機(jī)來說也是十分重要的，一方面頻繁的返港維修會影響其有效發(fā)電作業(yè)時(shí)間，另一方面需要建立準(zhǔn)確合理的可移動式風(fēng)機(jī)剩余壽命的評價(jià)方法及相關(guān)裝置，盡量延長其使用壽命。因此，飛濺區(qū)的腐蝕防護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注[49-50]，可以考慮噴漆和陰極保護(hù)措施，也可以采用耐腐蝕性更好的混凝土浮式基礎(chǔ)。

2.9 事故工況及風(fēng)險(xiǎn)評估

可移動式風(fēng)機(jī)需要保證其在緊急情況下的安全性，一般來講，其安全事故主要來源于浮冰、船舶以及其他海洋結(jié)構(gòu)物的碰撞[51]。波浪等周期性載荷所致疲勞裂紋引起的局部破壞和漏水[52]，以及單個推進(jìn)器失效導(dǎo)致推力不足[53]，也是在設(shè)計(jì)階段作為事故工況需要全面考慮的問題。根據(jù)構(gòu)件和功能失效程度，建立事故工況等級的評價(jià)方法。低等級的事故發(fā)生后，可移動式風(fēng)機(jī)需要保留足夠的浮性和穩(wěn)性，有一定的自航能力自動回港。對于高等級的事故工況，安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)將事故等級和坐標(biāo)信號發(fā)送給運(yùn)維方。

對于可移動式風(fēng)機(jī)在海上可能發(fā)生的碰撞，可以采用橡膠材料制作的護(hù)舷對其進(jìn)行保護(hù)，在碰撞發(fā)生時(shí)這些彈性材料可以吸收一部分能量[54-55]。通常情況下事故載荷是很大的[56-57]，如果要求可移動式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)能夠抵御大部分事故載荷，所需建造成本將是巨大的，但一旦事故發(fā)生，會帶來負(fù)面的行業(yè)和社會影響，因此需要研究事故發(fā)生的概率及后果，準(zhǔn)確評估其風(fēng)險(xiǎn)。

2.10 社會生產(chǎn)及生態(tài)影響

由于可移動式風(fēng)機(jī)下部不需要系泊定位，在有限空間里可以同時(shí)布置數(shù)量龐大的機(jī)組，因此，同一海域可能有多臺機(jī)組在同時(shí)作業(yè)，必然對該地區(qū)的社會生產(chǎn)及生態(tài)產(chǎn)生沖擊[58-62]，這包括：

（1）多臺機(jī)組同時(shí)作業(yè)所產(chǎn)生的噪音是巨大的，所以應(yīng)當(dāng)建立候鳥和魚群棲息地和遷徙時(shí)間及路徑數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)相關(guān)時(shí)空信息確定可移動式風(fēng)機(jī)的作業(yè)禁區(qū)。

（2）可移動式風(fēng)機(jī)的作業(yè)路徑規(guī)劃應(yīng)當(dāng)避開主要航道，避免與從事作業(yè)的其它船舶發(fā)生碰撞，造成不必要的損失。

3 結(jié) 語

可移動式風(fēng)機(jī)由于具有自動前往風(fēng)能資源更優(yōu)的地點(diǎn)、不受水深限制和可靈活布置等特點(diǎn)，可開發(fā)深遠(yuǎn)海蘊(yùn)含的大部分風(fēng)能，同時(shí)還可為遠(yuǎn)海生產(chǎn)、生活設(shè)施進(jìn)行供電，因此有著廣泛的商業(yè)化應(yīng)用前景。國內(nèi)外關(guān)于可移動式風(fēng)機(jī)的研究均剛剛起步，為了保證我國深遠(yuǎn)海風(fēng)能資源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，有必要盡快開展相關(guān)研究工作，首要工作就是明確可移動式風(fēng)機(jī)研制過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文通過歸納總結(jié)國內(nèi)外文獻(xiàn)中的最新研究進(jìn)展，結(jié)合作者自身的理解和探索，從多個方面提出亟待研究的問題，期望為該領(lǐng)域研究者提供參考。