海上风力发电基础形式及关键技术分析

焦忠虎　肖纪升

摘要：风蕴含的能量巨大，是水资源利用总能量的10倍。目前很多风力发电已经建立在陆地上，但随着人口的迁移与增长，陆地上的风力发电不仅占用了人类活动的场地，还制造了干扰大众正常生活的噪音，阻碍了陆地风力发电区域的发展，因此，现在人们逐渐把视线转移到海上，海上风力发电不影响人类对陆地的需求，可为人类带来丰富的资源。

关键词：海上风力发电；风能；桩基础结构；导管架基础；重力式基础 文献标识码：A

中图分类号：TM614 文章编号：1009-2374（2016）01-0145-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.072

海上风能具有湍流轻度较小、主导风向较为稳定、能节约土地资源等优点，且风作为无公害能源之一，在近几年时间里，已经得到了欧洲市场的认可，海上风力发电事业在欧洲得到迅速的发展。借鉴目前世界上各个国家对经济安全的海上风电基础形式的探索，积极发展我国的海上风能发电事业，对于我国的能源使用与分配有着至关重要的意义。

1 桩基础结构

桩基础结构分为三类：单桩基础、多桩基础和三角桩基础。

单桩基础结构是目前世界上应用最多的风力发电基础机构，由大直径钢管组成。单桩基础的固定方式是采用液压撞击法，撞锤将钢管夯入海床或者在海床安装钻孔形成的。这种基础的直径有3～6m宽，壁厚约是直径的1%。钢管插入海床的深度根据海床土壤强度来定，依靠测土给予的压力传递荷载。单桩基础适合建设于浅水水域或是水深为20～25m的中水水域，且土质良好的海床上。单桩基础的建设无需做海床准备，安装方法简单，但移动较为困难，且由于其钢管直径大，施工时需要借助特殊打桩船进行作业，若海床并非是适宜的土壤而是岩石，则还要增加钻洞加大投入费用。单桩基础结构广泛应用于欧洲海上风力发电场，这也逐渐成为建设海上风力发电的一个标准。

多桩基础是多个桩基打入土内的一种形式，打桩方向可以斜向打入或者竖直打入，这种形式概念源自于海上油气开发项目。多桩基础可以很好地抵抗海上波浪、海水动力，适合应用于中等水深与深水水域中。根据水深不同、海水流动等外部因素造成的荷载以及风机系统动力的特性来确定多桩基础上部结构。多桩基础无需做海床准备，可用于各种海床质地、任何水深中，并且其质量小、建设简单方便，但是所需成本高昂，安装还需使用专门设备，工作年限过后其拆卸移动困难。随着我国不断推进海上深水水域风力发电场的建设，多桩基础将来也有更大的发展。

三角桩基础顾名思义是三腿支撑的基础，其组成结构分别是中心柱、斜撑以及3根插入海床一定深度的圆钢。钢管与上部的连接是通过灌浆技术或者是装模实现的，垂直或倾斜的管套方可使用。中心柱的作用类似于单桩基础，基本支撑风机塔架。三角桩基础是单桩基础的发展，增强了结构的稳定性、强度、刚度。

2 导管架基础

风轮机运转荷载以及海洋环境荷载是影响风基础结构的主要荷载，采用钢制材料的导管架重量较轻，对海床地质条件具有较强适应能力，且拥有较好的稳定性，故此非常适合应用于较深海域的海上风基础，目前在欧洲各大海上风电场都得到较为广泛的应用。导管架主要以框架堆成结构为基础。主体的导管架基础结构主要可以划分成两个部分：一部分是包含了主筒体、平台甲板以及主斜撑等结构的过渡段，另一部分是能分成先打桩导管架以及后打桩导管架这两种结构形式的导管架基础主体，再进一步探究导管架基础由圆柱钢管所组成的三腿或四腿基础，这种基础在深水域采油工程中的应用相当成熟，可推进应用于海上风力发电建设中。

3 重力式基础

海上风电场风力基础主要是将风电场基础固定在海上的主要建筑物，由于风力基础需要处在海洋环境中，不仅需要承受结构自身的重力，还需要考虑风荷载、水流力以及承受必须的波浪等，故此风力基础的重力设计对于风电场具有关键的影响作用。最早的海上风力发电基础建设形式是重力式基础，其是依靠本身固有重力固定风机。可分为两种形式：混凝土重力式基础与钢沉降基础。一般适用于水深在10m以内的水域中，不限制海床地质条件。当水域深度大于10m时，为了确保其自身重力足以抵抗风、海浪等外部荷载，基础的建设尺寸将随之加大，自然成本提高。重力式基础造价低、结构简单、受海床土质影响不大，但需提前做海床准备，建设工期长，其尺寸较大，质量大，使得安装运输不方便，提高了这方面的资金投入，反而使得总造价提高。

4 负压桶式基础

负压桶式基础是重力式基础与传统基础的结合。桶形结构为上端封闭、下端开口、中间空腔的混凝土结构，通过对桶体内部充压缩空气来实现气浮拖运。沉贯就位时，先靠自身重量及平台上部结构重量使其筒裙底端插入海底一定深度，桶内形成封闭空间，然后用泵抽吸，形成负压，负压意为桶基础在安装时所使用的一种方法，其可承载部分动态峰值负载。

5 漂浮基础

依据相关数据表明，在水深60～900m处的海上风力资源几乎达到了1533GW，而在近海0～30m的水域仅有430GW，故此相较于近海水域的风力，深海水域的风力更为丰富。单桩式基础、重力式基础这些固定的基础并只适合用于水深在30m以内的水域中，并不满足深水水域的开发。

1972年在麻省理工学院中William E.Heronemus最先提出了漂浮基础，随着海上浮式平台技术的不断进步以及海上风力发电事业的不断发展，漂浮基础逐渐被人们了解且熟悉，促进了漂浮基础渐渐成为未来风力发电建设的发展方向。按系泊系统对漂浮基础进行划分，可以分成应用压载舱，使得整个系统的中心压低至浮心之下，以确保整个风机能在水中保持稳定；再采用3根悬链线来保持整个风机位置的日本Spar式；依靠自身重力和浮力的平衡以及悬链线来维持整个风机稳定与位置的荷兰浮箱式以及通过系泊线的张力给予整个风机稳定的美国张力腿式。

6 关键技术分析

海上风力发电与陆地风力发电相比，其要克服海上特殊环境如强风所带来的附加荷载、海水的腐蚀和海上波浪的冲击等。海上风力发电机的建设技术比陆地风力发电机的建设技术挑战更大，难度更高。

根据结构力学的计算分析，得出各部分电机的受力、变形情况来对电机结构进行合理设计。为了解决永磁同步发电机尺寸大、质量大的特点，设计了如优化轴向长度与间隙比值、采用轻质材料等各种方法。另外采用膜化结构等方法来简单化生产运输与安装。

海上风力发电机一般采用大型叶片来实现高叶尖速度比，提高能量捕获能力。叶片的选材十分重要，其关系到整体质量、强度、刚度，一般选用环氧碳纤维树脂这种新型轻质材料，质量可以减少20%～40%。目前我国在叶片选材技术方面取得了一定的进步，我国开发了高性能环氧乙烯基醋树脂，相比于环氧树脂，其成本要少10%，且材料效果相当。

冷却系统的设计尤为重要，在风力发电机的发电组电机、变流器、齿轮箱等发热构件中起着冷却的作用，使温度降低以免影响机器正常运行。冷却液的质量与电动机的工作效率和使用寿命息息相关，可防止由于温度升高而使电机结构变形，永久磁体不可逆而去磁，确保动机正常工作。海上风力发电机的运转系统所发出的总热量达到几百千瓦，冷却系统可选择强制风冷或是液冷方式。由于强制风冷所需风量极大，另外海风也含大量盐分等腐蚀物质，因此强制风冷在海上风力发电机中并不适合运用，而相反采用秘密性工作且导热能力良好的液冷方式较为适用。

变流器在风力发电机中承担着风能向动能的转换和调控作用。其能起到无功补偿的作用，在对电网传送风力发电的有功分量的同时，也能控制电网无功分量。

随着科技的发展，海上风力发电越来越远离陆地且建设规模不断扩大，对输电并网技术的要求也越来越高。构成海上风场的离岸集电网络与电能的传输方式是重要的把关部分。海上风场集电系统包括两个部分，分别是风机与变电站。风机由多组构成，每一组的连接方式为星型或串型，串型中的每个风机附带独立的变压器工作，多台风机以串型连接起来与变电站相连。用星型连接方式连接的风机不需采用独立的变压器，因此其成本相对降低，但稳定性也不如串型连接的好，在施工方面要建设多重集电平台，加重工作量。目前的海上风力发电是采用串型连接方式。根据海底下电缆设置与风机的连接，应该把变电站建设在风场的几何中心上，但陆上变电站的建设更加容易且降低成本，因此变电站在海上或是陆上目前都有使用。

7 结语

海上风力发电对于促进我国经济进步、发展友好型社会、保护环境有着积极作用，就目前我国科学技术来说，我们迫切需要研制适合于国情发展的海上风力发电机。结合相关问题，海上风力发电机的建设所需要成本高、运输不便以及安装困难成为开发海上风能利用的阻碍。我们可以借鉴欧洲先进的海上风力发电机建设技术，不断加大建造规模，向深海水域方向发展。经过人类对科学的不断探索，海上风力发电技术必将越来越成熟，在关键技术上有更大突破，提高资源利用率。

参考文献

[1] 李成良.风机叶片结构分析与优化[D].武汉理工大学，2008.

[2] 王湛.双圆弧叶片多翼风机内流场的数值模拟及叶形研究[D].山东大学，2007.

[3] 曾翔君，张宏韬，李迎.大功率直驱风电系统高效率变流器设计[J].中国电机工程学报，2010，（30）.

[4] 李静，陈健云.海上风力发电结构动力研究进展[J].海洋工程，2009，27（2）.

作者简介：焦忠虎（1982-），黑龙江鹤岗人，天津港航工程有限公司工程师，研究方向：现场施工管理；肖纪升（1984-），河北沧州人，天津港航工程有限公司工程师，研究方向：现场施工管理。

（责任编辑：蒋建华）