海上风力发电机组的水密性能研究*

徐一波 ， 鄢敉君 ， 李 林

（江西师范高等专科学校，江西 鹰潭 335000）

1 研究背景

1875年，法国巴黎的火力发电厂完成了人类史上的第一次发电行为，伴随着全球经济的发展，电能已经成为保障社会正常生产生活的基本前提。火力发电作为最早的发电方式，首次发电迄今已100多年，凭借其成本低廉、发电难度低、技术成熟、建造周期短暂、对环境和厂区面积的要求低、相关产业链完善等优势一直占据着全球电力市场的领头羊位置。然而，这种发电方式的弊端也逐渐凸显，对环境的长久负担是其最突出的问题。在火电的发电过程之中，为确保燃煤与空气充分反应，尽可能完全燃烧，首先要把燃煤制成小颗粒，从而增大它的表面积。但该过程会产生大量粉尘，与此同时，锅炉设备的运转与维护过程中也会产生大量粉尘。而且，燃煤在燃烧过程中会释放大量的CO2和SO2等有害气体，这些废气即使经过处理后排放至大气，依旧会加剧温室效应，破坏环境。此外，火电的能量转换过程中，转化媒介一般都是水，这也意味着该过程中会消耗大量水资源，会令淡水资源的匮乏问题愈发严峻[1]。

如图1所示，火力发电依旧牢牢占据着能源领域的主力位置，但分布式清洁能源发电取代传统化石能源发电是减缓全球变暖、减少碳排放、力争可持续发展的必然结果[2-3]。在各清洁能源中，风能具有极大的发展前景，从图1中可以发现，在我国能源领域中，风电的占比不高。但它天然具备经济成本较低、风力资源充足、对自然环境的破坏较小等许多优点[4]，也是最有希望接替传统化石能源成为新的世界能源支柱的产业之一。全球风能协会（GWEC）估计，在未来三年内，全球风电新增装机的年复合增长率可达4%，亚欧及北美等洲依旧处在带动全球风力发电行业发展的先锋地位。

图1 2021年1—6月我国发电量（GW）

2 海上风电发展现状

风力发电有陆上风力发电和海上风力发电两种方式。由于大陆的地形环境不一，复杂多变，不同地表形态下，风速受到的削减程度也不一致，在山脉、高楼大厦、大片的树林等处都可能出现风切变现象，造成风电机组的风轮无法均匀受力，从而损伤叶片。而且这一过程使得叶片振动，若轴承的固有频率与激励力频率一致，还会出现共振，损伤风轮轴承，继而损伤风电机组的传动系统。而海上风电则没有这方面的顾虑，绝大部分海平面不存在复杂地貌，风阻较低，风速变化程度较小，整体的风速也更高。风能公式如下式（1）所示：

式中，W表示风能，ρ表示空气密度，v表示风速，S表示截面积。

从上式中可以发现，风能与风速的立方成正比，这也意味着海上风速高的优势能带来更高的发电量和发电设备利用小时数。

就我国而言，海岸线长达1.8×104多千米，共有岛屿6×103多个。东南地区沿海地带及其附近岛屿，在国内的近海风能资源区中首屈一指。该地区的风能密度超过了200 W/m2，而在附近的岛屿甚至能超过300 W/m2，80%以上的时间处于有效风力之中。而且该地区的风速在一年中有7×103h~8×103h能出现超过8 m/s的状态，在6 m/s~7 m/s的状态也能达到4×103h。但该地区往西沿内陆方向，多为丘陵地貌，冬季冷空气从北向南流动，难以完全流通，夏季台风的风速在距海岸线5×104m处就会锐减32%。也就是说，东南地区仅在沿海地带向内几十千米的区域及附近岛屿才拥有较好的风能资源。在向内不足100 km的区域内，风能资源就会急剧降低，风能密度迅速锐减到50 W/m2之下，成为国内风能资源最小的地区。而在我国东南地区的南麂岛、嵊泗岛、大陈岛、台山岛、平潭岛等诸多岛屿，均拥有充足的风能资源。其中，台山岛的风能资源在国内独占鳌头，其风能密度可达534 W/m2，有效风电出力的时间占90%。

而远海风能资源远远大于近海风能资源，对于国内的远海风能，目前尚无完整的统计，但我国对远海风电的发展已经成功迈出了第一步。2021年，广东阳江建成了世界第一部抗台风型漂浮式海上风力发电机组，并于2021年12月7日成功并入配网进行发电，意味着我国在该领域的研发制造已经走在了全球前列。漂浮式海上风力发电技术是远海风电的核心技术，相较于需建造在海床的近海风电，该技术能在利用远海海域高质量风能时，确保不对近海捕捞渔业造成不利影响。

不论近海风电还是远海风电，都涉及了水密性封装问题，良好的水密性保障是海上风机设备正常运行的基础。对于使用漂浮式海上风力发电技术的远海风电来说，不论叶片还是机舱以及其他组件，均是在陆上组装之后，再运到海上进行对接安装工作，可采用浮托安装法，通过码头装船、驳船设计选择、定位、缓冲、检测等技术来实现[5]。风机在并网发电后将一直处于空气盐度和湿度都比较大的环境中，水密性保护就成为延长风机受用寿命的核心。

3 水密性保护解决方法

水密性保护大主要是为了防范水汽的渗入，同起重机一样，在风机金属结构表层下的凝露也会与空气中的水分产生化学反应，继而出现腐蚀现象，在发电设备外壳始终暴露在空气中，不可避免地会接触水汽的情况下，可以通过对金属结构使用涂料来进行防腐蚀保护，并对叶片等结构进行密封保护[6]。而对于电路中各元器件的水密性保护，可以使用环氧树脂进行电子封装，这种材料相对而言水密性会更强，还可以制成封装构件，确保各电子元器件的正常工作[7]。此外，长期浸泡在盐分颇高的海水中的海底电缆防腐蚀问题，也是海上风电水密性研究的重点，当前的防护措施是使用沥青进行隔水，以达到防腐的目的。然而，当下我国生产与使用的海缆对作为防腐涂层的沥青还没有统一的执行标准和牌号，为确保输电线路持续正常运行，这一问题有待解决[8]。在“互联网+”的社会发展背景下，可充分利用互联网的优势、将其与风电行业相结合，使用大数据管理，实时监测海上风机发电设备运行情况，使用信息化手段来增强电气设备的可靠性监测，及早发现发电机组、变电站、输电线路及其他设备在运转时出现的隐患。在此过程中，可使用模拟法、解析法、混合法等分析方法对电力设备进行可靠性分析，并针对海上风电的发电机组、变电站、输电线路等部分建立完善可靠性信息的实时管理系统，确保系统平稳运行，提早发现水汽可能导致的线路短路、腐蚀老化等问题[9]。最后，建立完善的海上风电现代化运维系统，通过“互联网+海上风电”，达到实时反馈、发现问题、解决问题、避免大的经济损失的目的[10]。

4 结语

综上所述，水密性保护是海上风电的基础性问题，目前，海上风电的整体架构尚不完善，但其发展潜力巨大。随着时代的不断发展，会不断地涌现各种新问题，解决问题的过程也是帮助海上风电发展的过程。契合可持续发展的分布式清洁能源，才是未来能源领域的主力军。