海上風力發電技術(綠色能源技術)

風力發電是世界上發展最快的綠色能源技術，在陸地風電場建設快速發展的同時，人們已經注意到陸地風能利用所受到的一些限制，如占地面積大、噪聲污染等問題。由於海上豐富的風能資源和當今技術的可行性，海洋將成為一個迅速發展的風電市場。歐美海上風電場已處於大規模開發的前夕。我國東部沿海水深50 m以內的海域面積遼闊，而且距離電力負荷中心（沿海經濟發達電力緊缺區）很近，隨著海上風電場技術的發展成熟，風電必將會成為我國東部沿海地區可持續發展的重要能源來源。

基本介紹

• 中文名：海上風力發電技術
• 外文名：VindebyTunoeKnob
• 支撐技術：固定式支撐和懸浮式
• 種類：重力沉箱基礎單樁基礎三腳架基礎

風機支撐技術

海上風機的支撐技術主要有底部固定式支撐和懸浮式支撐2類。

底部固定式支撐

底部固定式支撐有重力沉箱基礎、單樁基礎、三腳架基礎3種方式。

(1）重力沉箱基礎。

重力沉箱主要依靠沉箱自身質量使風機矗立在海面上。Vindeby和TunoeKnob海上風電場基礎就採用了這種傳統技術。在風場附近的碼頭用鋼筋混凝土將沉箱基礎建起來，然後使其漂到安裝位置，並用沙礫裝滿以獲得必要的質量，繼而將其沉入海底。海面上基礎呈圓錐形，可以起到減少海上浮冰碰撞的作用。Vindeby和Tunoe Knob風電場的水深變化範圍在2.5～7.5m之間，每個混凝土基礎的平均質量為1050t。該技術進一步發展，用圓柱鋼管取代了鋼筋混凝土，將其嵌入到海床的扁鋼箱裡。該技術適用於水深小於10m的淺海地區。

(2）單樁基礎。單樁基礎由一個直徑在3～4.5m之間的鋼樁構成。鋼樁安裝在海床下18～25m的地方，其深度由海床地面的類型決定。單樁基礎有力地將風塔伸到水下及海床內。這種基礎的一大優點是不需整理海床。但是，它需要防止海流對海床的沖刷，而且不適用於海床內有巨石的位置。該技術套用範圍水深小於25m。

(3）三腳架基礎。三腳架基礎吸取了海上油氣工業中的一些經驗，採用了質量輕、價格低的三腳鋼套管。風塔下面的鋼樁分布著一些鋼架，這些鋼架承擔和傳遞來自塔身的載荷，這三個鋼樁被埋置於海床下10～20m的地方。

懸浮式支撐

以懸浮式支撐有浮筒式和半浸入式2種方式，主要套用於水深75～500m的範圍。

(1）浮筒式支撐。浮筒式基礎由8根與海床系留錨相連的纜索固定在海面上，風機塔桿通過螺栓與浮筒相連。

(2）半浸入式支撐。主體支撐結構浸於水中，通過纜索與海底的錨錠連線，該形式受波浪干擾較小，可以支撐3～6MW、旋翼直徑80m的大型風機。

特點

海上風機是在現有陸地風機基礎上針對海上風環境進行適應性“海洋化”發展起來的。

高翼尖速度

陸地風機更多的是以降低噪聲來進行最佳化設計的，而海上則以更大地發揮空氣動力效益來最佳化，高翼尖速度、小的槳葉面積將給風機的結構和傳動系統帶來一些設計上的有利變化。

變槳速運行

高翼尖速度槳葉設計，可提高風機起始工作風速並帶來較大的氣動力損失，採用變槳速設計技術可以解決這個問題，它能使風機在額定轉速附近以最大速度工作。

減少槳葉數量

現在大多數風機採用3槳葉設計，存在噪聲和視覺污染。採用2槳葉設計會帶來氣動力損失，但可降低製造、安裝等成本，因此也是研究的一個方向。

新型高效發電機

研製結構簡單、高效的發電機，如直接驅動同步環式發電機、直接驅動永磁式發電機、線繞高壓發電機等。

海洋環境下風機其他部件

海洋環境下要考慮風機部件對海水和高潮濕氣候的防腐問題；塔中具有升降設備滿足維護需要；變壓器和其他電器設備可安放在上部吊艙或離海面一定高度的下部平台上；控制系統要具備岸上重置和重新啟動功能；備用電源用來在特殊情況下置風機於安全停止位置。

探索降低成本的新方案

新近提出的一種10MW近岸大型概念風機能有效減少基礎數量，降低海上風場成本。按12m/s額定風速，要產生10MW的輸出，主轉子直徑需要約200m，主轉子外緣速度達到56m/s，主轉子葉片弦長3m，葉片數量10個。主轉子採用張線固定，其主軸迎風頂端支撐在直徑300mm的支撐塔桿上，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，或採用海面上三角懸浮支撐方式。這樣，主轉子就可以隨來風變化繞頂端旋轉。主旋翼葉片由7段組成，最外段安裝有4個直徑3.6m的風機。

歐洲未來風力發電增長的很大部分將來源於海上，美國能源部也制定風力資源深海發展戰略，將海上油、氣開發技術經驗與近岸淺水（0～30m）風能開發技術相結合，開展深海（50～200m）風能開發研究，包括低成本的錨定技術、平台最佳化、平台動力學研究、懸浮風力機標準等。

發展

在全球能源趨緊和節能減排雙重重壓之下，新的可再生能源受到無比青睞。相對價格偏高的太陽能發電和已經接近飽和的水電資源，風力發電成為最受追捧的“寵兒”。而其中，海上風電在發電穩定性、電網接入便利性、土地節省等多方面均優於陸上風電，海上風電產業的發展具有較大潛力。

截至2010年底，全球已建成43個海上風電場，安裝了1339颱風電機組，總容量366.6萬千瓦，海上風電正在成為全球風電開發領域的新寵。

數據顯示2010年，全球海上風電新增裝機144.4萬千瓦，同比增長110%，占全球風電新增裝機的3.7%，主要分布在歐洲的英國、丹麥、比利時和德國。其中：英國2010年海上新增裝機92.5萬千瓦，成為海上風電的全球領跑者，預計在今後幾年英國仍將會保持領先地位;德國近兩年採用5兆瓦和6兆瓦大型風電機組建設海上風電場，成為海上風電的後起之秀。歐洲之外，中國上海東海大橋近海風電與江蘇如東潮間帶兩個海上風電項目併網發電，為大規模建設海上風電場建設，積累了設備製造、工程施工以及運營維護的經驗。

2010年被業界普遍認為是中國海上風電事業發展的元年。海上風電項目的特許招標於5月份啟動。2011年下半年我國啟動第二批海上風電特許權項目的招標準備工作，預計2012年上半年完成招標，總建設規模將在150-200萬千瓦之間。

據統計，我國近海可安裝風電約2億千瓦，海上風電年利用小時數長，風速高且穩定，單機能量產出較大。國家計畫2020年前在江蘇南通、鹽城、上海、山東魯北等海域重點建設幾個百萬千瓦級大型風電基地，在其他海域重點建設數十個10萬千瓦級的海上風電場。預計到2015年，我國海上風電累計裝機有望達到500萬千瓦;到2020年，海上風電累計裝機有望達到3000萬千瓦。