海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜述

1、海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜述1概況風(fēng)力發(fā)電是世界上發(fā)展最快的綠色能源技術(shù)，在陸地風(fēng)電場建設(shè)快速發(fā)展的 同時(shí)，人們已經(jīng)注意到陸地風(fēng)能利用所受到的一些限制，如占地面積大、噪聲污 染等問題。由于海上豐富的風(fēng)能資源和當(dāng)今技術(shù)的可行性，海洋將成為一個(gè)迅速 發(fā)展的風(fēng)電市場。歐美海上風(fēng)電場已處于大規(guī)模開發(fā)的前夕。我國東部沿海水深 50 m以的海域面積遼闊，而且距離電力負(fù)荷中心（沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)電力緊缺區(qū)）很 近，隨著海上風(fēng)電場技術(shù)的發(fā)展成熟，風(fēng)電必將會(huì)成為我國東部沿海地區(qū)可持續(xù) 發(fā)展的重要能源來源。海上風(fēng)電場的風(fēng)速高于陸地風(fēng)電場的風(fēng)速，但海上風(fēng)電場與電網(wǎng)聯(lián)接的成本 比陸地風(fēng)電場要高，綜合來看，海上風(fēng)電場的成本和陸地風(fēng)電

2、場基本相同。海上風(fēng)電場的發(fā)電成本與經(jīng)濟(jì)規(guī)模有關(guān)，包括海上風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量和每個(gè)風(fēng) 電場機(jī)組的臺(tái)數(shù)。鋪設(shè)150MW侮上風(fēng)電場用白海底電纜與100MW的差不多，機(jī)組 的大規(guī)模生產(chǎn)和采用鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)可降低成本。目前海上風(fēng)電場的最佳規(guī)模為 120150MW/在海上風(fēng)電場的總投資中，風(fēng)電機(jī)組占 51%基礎(chǔ)16%電氣接入系 統(tǒng)19%其他14%丹麥電力公司對(duì)海上風(fēng)電場發(fā)電成本的研究表明，用國際能源 局（IEA）標(biāo)準(zhǔn)方法，按目前的技術(shù)水平和 20年設(shè)計(jì)壽命計(jì)算，估測(cè)的發(fā)電成本 是0.36丹麥克朗（人民幣0.42元或0.05美元）/kWh。如果壽命按25年計(jì)算，還可減 少9%海上風(fēng)電場的開發(fā)主要集中在歐美地區(qū)，其發(fā)

3、展大致可分為5個(gè)不同時(shí)期：19771988年，歐洲對(duì)國家級(jí)海上風(fēng)電場的資源和技術(shù)進(jìn)行研究；19901998年，進(jìn)行歐洲級(jí)海上風(fēng)電場研究，并開始實(shí)施第1批示計(jì)劃；19911998年，開發(fā)中型海上風(fēng)電場；19992005年，開發(fā)大型海上風(fēng)電場和研制大型風(fēng) 力機(jī)；200研以后，開發(fā)大型風(fēng)力機(jī)海上風(fēng)電場。2海上風(fēng)環(huán)境一般說來海上年平均風(fēng)速明顯大于陸地，研究表明，離岸10km的海上風(fēng)速比岸上高25姒上。2 1風(fēng)速剖面圖海面的粗糙度要較陸地小的多，因此風(fēng)速在海平面隨高度變化增加很快，通 常在安裝風(fēng)機(jī)所關(guān)注的高度上，風(fēng)速變化梯度已經(jīng)很小了。因此通過增加塔高的 方法增加風(fēng)能的捕獲在某種程度上不如陸地有效。由于

4、海上風(fēng)邊界層低，所以海 面上塔高可以降低。陸地與海上風(fēng)速剖面比較如圖 1所示。海上；陸地圖1陸地、海上風(fēng)速剖面圖比較2 2風(fēng)湍流特性湍流度描述的是風(fēng)速相對(duì)于其平均值的瞬時(shí)變化情況，可以表示為風(fēng)速的標(biāo) 準(zhǔn)偏差除以一段時(shí)間（通常10min）風(fēng)速的平均值。自由風(fēng)湍流特性對(duì)風(fēng)機(jī)的疲 勞載荷大小影響很大。由于海上大氣湍流度較陸地低，所以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng) 恢復(fù)慢，下游風(fēng)機(jī)與上游風(fēng)機(jī)需要較大的間隔距離，即海上風(fēng)場效應(yīng)較大。通常 岸上湍流度為10%海上為8%海上風(fēng)湍流度開始時(shí)隨風(fēng)速增加而降低，隨后由 于風(fēng)速增大、海浪增高導(dǎo)致其逐步增加，如圖 2所示。除此之外，湍流度還隨高 度增加而幾乎呈線性下降趨勢(shì)，如圖3

5、所示。圖2海上風(fēng)速與湍流度關(guān)系1916圖1916圖3海面上高度與湍流度關(guān)系F3水深與海浪水深和海浪是影響海上風(fēng)電場發(fā)展的 2個(gè)重要自然因素。水深不僅直接影響 塔基尺寸和質(zhì)量，而且影響海浪產(chǎn)生載荷。海浪隨水深而增高，水深同時(shí)使海面 到塔基的塔桿增加，從而導(dǎo)致塔基受到很大的翻滾力矩。國外研究表明，浪高隨 風(fēng)速增加基本呈線性增加，當(dāng)風(fēng)速大于 20m/s后，海浪達(dá)到極限值大約為4m這 是因?yàn)檩^淺的水深限制的緣故，浪高的極限值受水深的制約而不是風(fēng)速。3海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)1風(fēng)機(jī)支撐技術(shù)海上風(fēng)機(jī)的支撐技術(shù)主要有底部固定式支撐和懸浮式支撐 2類。1 1底部固定式支撐底部固定式支撐有重力沉箱基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、三腳架

6、基礎(chǔ) 3種方式。如圖4所 示。(1)重力沉箱基礎(chǔ)。重力沉箱主要依靠沉箱自身質(zhì)量使風(fēng)機(jī)矗立在海面上。Vindeby和TunoeKnob海上風(fēng)電場基礎(chǔ)就采用了這種傳統(tǒng)技術(shù)。在風(fēng)場附近的碼 頭用鋼筋混凝土將沉箱基礎(chǔ)建起來，然后使其漂到安裝位置，并用沙礫裝滿以獲 得必要的質(zhì)量，繼而將其沉入海底。海面上基礎(chǔ)呈圓錐形，可以起到減少海上浮 冰碰撞的作用。Vindeby和Tunoe Knob風(fēng)電場的水深變化圍在2.57.5m之間， 每個(gè)混凝土基礎(chǔ)的平均質(zhì)量為1050t o該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，用圓柱鋼管取代了鋼 筋混凝土，將其嵌入到海床的扁鋼箱里。該技術(shù)適用于水深小于 10m的淺海地區(qū)。(2 )單樁基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)

7、由一個(gè)直徑在 34.5m之間的鋼樁構(gòu)成。鋼樁安 裝在海床下1825m的地方，其深度由海床地面的類型決定。單樁基礎(chǔ)有力地將 風(fēng)塔伸到水下及海床。這種基礎(chǔ)的一大優(yōu)點(diǎn)是不需整理海床。但是，它需要防止 海流對(duì)海床的沖刷，而且不適用于海床有巨石的位置。該技術(shù)應(yīng)用圍水深小于 25m(3)三腳架基礎(chǔ)。三腳架基礎(chǔ)吸取了海上油氣工業(yè)中的一些經(jīng)驗(yàn)，采用了質(zhì)量輕、價(jià)格低的三腳鋼套管。風(fēng)塔下面的鋼樁分布著一些鋼架，這些鋼架承擔(dān) 和傳遞來自塔身的載荷，這三個(gè)鋼樁被埋置于海床下 1020m的地方。以懸浮式支撐有浮筒式和半浸入式 2種方式，主要應(yīng)用于水深75500m的 圍。如圖5所示。圖5懸浮式支撐方式(1 )浮筒式支撐。

8、浮筒式基礎(chǔ)由8根與海床系留錨相連的纜索固定在海面上, 風(fēng)機(jī)塔桿通過螺栓與浮筒相連。(2)半浸入式支撐。主體支撐結(jié)構(gòu)浸于水中，通過纜索與海底的錨錠連接， 該形式受波浪干擾較小，可以支撐 36MW旋翼直徑80m的大型風(fēng)機(jī)。2風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)降低風(fēng)機(jī)離岸產(chǎn)生的額外成本是海上風(fēng)能技術(shù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)，其中海 底電纜和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)成本占主要部分，它受水深和離岸距離影響大，而受風(fēng)機(jī)尺寸 影響不大。因此對(duì)額定功率的風(fēng)場應(yīng)采用大功率風(fēng)機(jī)以減少風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)，從而減少 基礎(chǔ)和海底電纜的成本。目前一般認(rèn)為海上風(fēng)場裝機(jī)容量在100150MM比較經(jīng) 濟(jì)的。國外已研制出3.6MW的海上風(fēng)機(jī)，其旋翼直徑為104m適合于水深10m的

9、地方。海上風(fēng)機(jī)是在現(xiàn)有陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上針對(duì)海上風(fēng)環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性“海洋化” 發(fā)展起來的。具有以下特點(diǎn)：高翼尖速度。陸地風(fēng)機(jī)更多的是以降低噪聲來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，而海 上則以更發(fā)揮空氣動(dòng)力效益來優(yōu)化，高翼尖速度、小的槳葉面積將給風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 和傳動(dòng)系統(tǒng)帶來一些設(shè)計(jì)上的有利變化。變槳速運(yùn)行。高翼尖速度槳葉設(shè)計(jì)，可提高風(fēng)機(jī)起始工作風(fēng)速并帶來 較大的氣動(dòng)力損失，采用變槳速設(shè)計(jì)技術(shù)可以解決這個(gè)問題，它能使風(fēng)機(jī)在額定 轉(zhuǎn)速附近以最大速度工作。減少槳葉數(shù)量?，F(xiàn)在大多數(shù)風(fēng)機(jī)采用3槳葉設(shè)計(jì)，存在噪聲和視覺污染。采用2槳葉設(shè)計(jì)會(huì)帶來氣動(dòng)力損失，但可降低制造、安裝等成本，因此也是研究 的一個(gè)方向。新型高效發(fā)電機(jī)。研制結(jié)構(gòu)簡

10、單、高效的發(fā)電機(jī)，如直接驅(qū)動(dòng)同步環(huán)式發(fā)電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)永磁式發(fā)電機(jī)、線繞高壓發(fā)電機(jī)等。海洋環(huán)境下風(fēng)機(jī)其他部件。海洋環(huán)境下要考慮風(fēng)機(jī)部件對(duì)海水和高潮 濕氣候的防腐問題；塔中具有升降設(shè)備滿足維護(hù)需要；變壓器和其他電器設(shè)備可 安放在上部吊艙或離海面一定高度的下部平臺(tái)上；控制系統(tǒng)要具備岸上重置和重 新啟動(dòng)功能；備用電源用來在特殊情況下置風(fēng)機(jī)于安全停止位置。探索降低成本的新方案。新近提出的一種 10MW左岸大型概念風(fēng)機(jī)能有效減少基礎(chǔ)數(shù)量，降低海上風(fēng)場成本。按 12m/s額定風(fēng)速，要產(chǎn)生10MW5輸出， 主轉(zhuǎn)子直徑需要約200m主轉(zhuǎn)子外緣速度達(dá)到56m/s,主轉(zhuǎn)子葉片弦長3m,葉片 數(shù)量10個(gè)。主轉(zhuǎn)子采用線固定，其主軸迎風(fēng)頂端支撐在直徑 300mm勺支撐塔桿上， 塔桿固定在海床上；主軸末端由小型飛艇懸掛和海面上浮船絞盤鋼索拉住保持平 衡，或采用海面上三角懸浮支撐方式。這樣，主轉(zhuǎn)子就可以隨來風(fēng)變化繞頂端旋 轉(zhuǎn)。主旋翼葉片由7段組成，最外段安裝有4個(gè)直徑3.6m的風(fēng)機(jī)。歐洲未來風(fēng)力發(fā)電增長的很大部分將來源于海上，美國能源部也制定風(fēng)力資 源深海發(fā)展戰(zhàn)略，將海上油、氣開發(fā)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與近岸淺水(030m風(fēng)能開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，開展深海(50200m風(fēng)能開發(fā)研究，包括低成本的錨定技術(shù)、平臺(tái) 優(yōu)化、平臺(tái)動(dòng)力學(xué)研究、懸浮風(fēng)力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)等。結(jié)束語歐美的海上風(fēng)能研究表明，淺海風(fēng)力發(fā)電不存在主要技術(shù)問題，利用現(xiàn)有技 術(shù)，海上