漂浮式海上风电关键技术与发展趋势

王富强，郝军刚，李 帅，任亚君，谢越韬，张步恩

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

1 行业背景

大力发展海上风电是我国落实“双碳”目标、提升清洁能源比例的重要举措。“十四五”是我国海上风电发展的关键机遇期，也面临从补贴到无补贴、从近海到远海、从样机走向商业应用大跨越发展等多方面挑战[1]。近海海上风电开发资源有限、生态约束强、其他经济活动需求大、场址较为分散，且当水深超过60 m后，近海固定式风电经济性变差[2-3]。相对于近海，深远海域具有风资源条件更优、开发潜力巨大、限制性因素少等优势。我国深远海域可开发面积约67万km2，风电资源技术开发量约20亿kW，接近浅海资源量的4倍，因此海上风电布局从近海向深远海转变是产业发展的必然趋势，发展深远海海上风电也将是实现碳达峰、碳中和，保证东南沿海负荷中心能源安全的重要支撑和有效途径。

漂浮式海上风电技术是深远海风资源开发的关键，漂浮式基础支撑上部风机，通过系泊系统与海床相连，受水深影响小，摆脱复杂海床地形及地质条件约束，适用范围更广，可获得更多风能资源。作为未来深远海风能开发的主要形式之一，漂浮式海上风电发展潜力巨大，也是目前世界范围内的研究热点。自2009年首台漂浮式海上风电机组安装以来，全球漂浮式海上风电正得到快速发展。这些项目展示出漂浮式海上风电在恶劣条件下运行的稳定性及可靠性，在捕获更高风能的同时能够积累大量实际数据用于更新和完善相关设计，为后续大规模、商业化开发奠定基础。根据全球风能理事会预测[4]，2030年全球漂浮式海上风电累计装机将达到16.5 GW，从2026年开始，漂浮式海上风电将进入新增装机达到GW级商业化阶段。

国外漂浮式海上风电发展经历以下阶段：示范项目、试点项目、预商业项目和商业规模项目[5]。示范和试点项目是技术开发和降低风险的重要过程，目前安装的大多数漂浮式海上风电项目是单机或多机示范项目，如挪威Hywind demo、葡萄牙WindFloat、法国Floatgen、丹麦Tetraspar、西班牙SATH、日本GOTO及Fukushima Forward等。Hywind Scotland及WindFloat Atlantic、法国的EolMed、Groix&Belle-Ile、Provence Grand Large等为小型阵列的试点项目，对于研究漂浮式风场尾流、布置、共享系泊等技术问题提供了很好的条件。目前唯一在建的预商业项目是88 MW的Hywind Tampen，该项目通过整合设计、制造、运输、安装、测试、维修等全生态供应链，以求最大程度上降低成本。大于200 MW的项目称为商业项目，通过大规模部署漂浮式海上风机以提高项目开发效率，通过全行业合作应对技术及后期运维挑战，进一步降低投资成本，目前还没有正在开展的商业项目。

我国目前建成投产的漂浮式海上风电项目仅有三峡引领号，中国海装扶摇号预计2022年投产发电，国家能源集团福建南日岛项目及中海油文昌漂浮式海上风电示范项目仍在有序推进。我国漂浮式海上风电发展仍处于样机示范阶段，且示范样机安装水深较浅、型式单一、产业链、供应链发展尚不成熟，产业集群效应未能形成。当前漂浮式海上风电仍呈现技术难度高、建设成本高、开发经验少的特点，三峡引领号和海装扶摇号造价均超过3亿元，距离商业化大规模开发仍有较大差距。

《十四五可再生能源发展规划》明确提出，推进漂浮式风电基础机组等技术创新与示范应用，力争“十四五”期间开工建设我国首个商业化漂浮式海上风电项目，为我国漂浮式海上风电发展提出了明确的目标和方向。海南万宁100万kW漂浮式海上风电将是世界上第一个商业化项目，将实现我国从样机示范阶段直接到商业化运营阶段的跨越式发展，其跨度和难度较大，存在技术难点有待突破、产业基础较薄弱，供应链不足、成本较高、有待进一步降本增效等问题。目前我国浮式基础主要是参考国外的半潜式型式，用钢量在700～1 000 t/MW，其基础型式需要进一步创新优化，同时面临多学科交叉融合、一体化耦合集成分析等难点。

为了推进解决我国深远海漂浮式海上风电商业化开发面临的严峻挑战，国家科技部“可再生能源技术”2022年度重点专项规划以下课题[6]：研制自主可控的风电机组整机仿真设计软件及10 MW级深远海漂浮式风电机组关键技术与装备等，考核目标之一为浮体用钢≤500 t/MW。

为实现我国漂浮式海上风电规模化、商业化发展，需要针对存在的关键问题，开展技术创新和项目实践引领，通过优化平台设计、开发创新基础形式、多学科融合交叉、实现一体化仿真技术等研究，保证项目安全可靠、进一步降本增效。针对我国对漂浮式海上风电的大量需求，形成以问题导向、创新导向为核心的技术驱动力，快速实现从试验样机阶段到大规模商业开发的跨越式发展。

2 关键技术问题探讨

为实现深远海规模化、商业化发展，需要攻克的关键技术问题主要包括漂浮式风电机组、浮式基础、系泊系统、动态海缆、一体化仿真、水池试验、施工技术等。

2.1 风电机组

漂浮式海上风电机组安装在深远海，运行条件及海况复杂。为捕获更多风能资源，需增大叶片长度、优化翼型设计及控制策略，需要解决下述问题：

(1)叶片大型化的气弹性问题。目前15 MW风机叶片长度已超过100 m，在运动过程中风机叶片发生弹性变形，振动过程中改变实际入流速度，影响攻角及风机效率，所受荷载也会发生较大改变，浮式基础平台受力改变又反之影响风机运行。

(2)控制系统优化。浮式基础运动会影响风机荷载及效率，且深远海复杂的风、海、流等环境因素互相耦合，漂浮式风机控制系统相比固定式风机复杂度更高、难度更大。随着风轮尺寸的增大，风轮平面存在较大的速度梯度，即上、下叶片气动力不同，控制策略需要进行优化和改进；同时要考虑平台运动对气动特性的影响。

(3)大型风机的润滑及防腐。深远海风机长期处于高盐雾、高湿度环境，运行环境严苛，机组故障率相对较高、可达性差、换油窗口期短，对润滑、换油、降温及防腐等提出更高要求。随着深远海漂浮式大容量风机时代拉开帷幕，风电机组外形及内部设计、后期运维也将面临新的挑战[7]。

2.2 浮式基础与系泊系统

目前常见的浮式基础[8]主要有立柱式、半潜式、驳船式和张力腿式。半潜式基础具有较好稳定性且波浪载荷较小，可在岸上建造，与风机组装后再拖航至指定机位点，适用水深范围大、运行可靠，是深远海风能资源开发最有前景的基础型式，在较多示范项目中得到应用，积累了较为丰富的工程经验。我国海域大陆架总体较为平缓，随着离岸距离增加，水深增加幅度较缓，且面临台风等复杂海况，比较适合半潜式基础。我国目前的示范样机均采用三浮筒半潜式基础，风机塔筒放置在其中一个立柱上。浮式基础的用钢量较大，三峡引领号用钢量5 500 t左右，单位用钢量1 000 t/MW；海装扶摇号用钢量3 900 t，单位用钢量为630 t/MW，距离国家科技部重点专项中提出的500 t/MW考核指标还有差距。为了降低用钢量，需要进一步探索优化浮式基础结构型式，研究主动加载技术抑制平台运动，使用混凝土、玻璃钢、钢材和混凝土等复合材料。

系泊系统是将浮式基础与海底相连的唯一结构，是漂浮式海上风电核心部件之一，投资占比相对较大，其设计优化对于工程安全及投资指标至关重要。漂浮式海上风电系统在海上承受着复杂的风、浪、流等外部环境载荷，可能从各个方向作用到风机机舱、塔架、浮式基础上，系泊系统缆绳或锚链需要为浮式平台在各个方向上提供回复力，限制平台在波浪、风等荷载下的运动幅度，保持风机电力的稳定输出。系泊系统的设计及优化需要考虑与浮式基础的相互作用、系统阻尼、浅水效应等要点，并研究采用非对称性系泊形式、降低冗余度，优选系泊材料，探索锚固点优化共享等降本策略。

2.3 动态海缆

浮式平台的运动、位置偏移以及海洋生物等因素都会导致电缆线型变化，动态海缆作为浮式风机与静态海底电缆的连接设备，是输电系统的重要模块。深远海漂浮式海上风电动态海缆在运行过程中面临大截面、高电压及负荷波动、绝缘老化、复杂海洋环境导致的载荷组合等问题[9]，以及复杂力、电场、热等多场耦合的动态工况。动态海缆系统涉及复杂基础理论与实际问题，工程应用经验有限，在全寿命周期中存在诸多难题有待解决，需要进一步开展线型、材料、尺寸、浮力块、防弯器设计，开展动态极值、疲劳寿命、海底稳定性、一体化仿真分析，并提前布局安装测试、运维、拆除及循环利用等课题探索[10]。

2.4 一体化仿真

漂浮式海上风电系统是高度集成、相互耦合的系统，涉及气动力学、结构动力学、伺服控制、水动力学等多个学科，上部风机系统与下部浮式基础部分密接相关。目前风机、浮式基础及系锚系统通常由两个或更多团队完成，但各团队之间存在知识产权、技术保护、商业壁垒等诸多因素，使得各模块设计优化及数据迭代变得困难，从而影响工期及造价投资。实现完全的一体化设计及仿真存在一定的实际困难。

2.5 水池模型试验

水池模型试验是验证和优化设计成果的重要环节，也是浮式风机实际下水投产前的必要步骤。漂浮式海上风电水池试验需要满足几何相似、运动相似和动力相似等相似准则[11]，但相似准则难以同时满足。为实现整个漂浮式风电机组的科学模拟，需要综合考量相似准则，目前普遍做法是针对重点关注对象进行精细化相似模拟，在该系统中满足所有相似准则，对于其余子系统则放宽其他条件限制。受制于试验水池等硬件条件，小缩尺比带来的尺度效应仍是今后研究的重点之一。为了进一步提高模型试验效率、降低造价并提高试验精度，实时混合模型试验[12]也将成为一种较为理想的处理方式。

2.6 运输与施工

漂浮式海上风电施工占总投资较大比例，应统筹特定项目施工资源以达到总体施工成本最优。浮式基础以钢质材料为主，能够在港口码头完成基础平台、塔筒和风机的组装工作，不用通过大型浮吊等设备进行复杂的海上安装作业，特别是当机位点距离基础建造码头较近时，可以考虑建造码头吊装风机后整体拖航。随着漂浮式风电场址逐渐向深远海及机组向大型化发展，港口侧的安装、拖曳及维修存在较大经济及技术挑战。在大型漂浮式风电场中，尽可能在海上现场操作相关流程是较经济的做法，特别大吃水深度的立柱式，现场施工是必不可少的。

大型施工船只的起重能力、起重高度及范围对漂浮式海上风电安装和运维至关重要。起重高度在一定程度上制约机组大型化的发展。目前施工船队在单次升降机中安装15 MW及以上风电机组的难度较大，需要进一步开展重型起重作业船舶或替代技术的研究，例如攀爬起重机技术等。爬升式起重机使用风机塔架作为支撑点，风机部件的提升高度大于传统起重机的提升高度，经济性能更优。因此对塔架支撑点进行局部改造以提高极限承载能力是重要的技术发展方向。

数量有限、成本较高的浮动重型起重船是有效地开展海上作业的另一障碍。海上现场安装涉及到动态船只与动态浮体之间的相互作业，加上浮动升降机的复杂性，将给漂浮式海上风力机的相关安装和运维带来挑战，因此需要进一步开发先进的安装及运维技术，如浮式基础-安装船靠泊耦合模型、六自由度运动补偿系统、导向系统的辅助部件等。

3 发展趋势及展望

通过海上风电发展过程、现状以及关键技术问题分析，商业化、规模化漂浮式海上风电产业发展将有以下几大趋势。

3.1 风机大型化

为降低度电成本，节约基础、系泊、电缆等投资成本，节约后期运维费用，降低输电成本和调度成本，提高电力可靠性，风机大型化是未来发展趋势之一。

加大机组容量是降低度电成本的关键因素，大容量机组对应大叶轮直径和更高的塔高，可以有效提高容量系数从而提高风场的年发电量。机组大型化后，同样容量风场会减少基础、系泊、海缆等用量，从而降低造价。当单机机组容量提高后，风机台数变少，从而可以节约运营和维护成本。

3.2 高精度、全耦合仿真与优化

漂浮式风机系统的集成、耦合仿真是重要的关键技术问题。为提高漂浮式海上风电商业项目的安全性及经济性，高精度、全耦合的漂浮式海上风电一体化仿真与设计优化是需要努力实现和发展的方向。由于各子系统设计单位保护其核心技术及商业机密的需要，数据的收集和交换存在一定障碍，目前浮式风电机组并未实现完全的一体化仿真设计。研究发现解耦分析方法在设计初期阶段能够基本满足精度需求[13]，但计算结果相对于全耦合分析精度较低，且对于非线性响应的预报仍存在一定不确定性，导致工程投资增加。

随着漂浮式海上风电向着大型化方向发展，同时复杂的风浪流工作环境带来更多非线性因素，更需要：①进一步发展耦合动力学仿真、非线性动力学仿真以及动力学控制研究；②开发计算精度优、效率高、稳定性好的仿真方法和计算模型，搭建适合工程实际使用的开发平台；③提高项目效率，优化、简化相关设计流程并针对漂浮式海上风电研究制定浮式基础设计规范，制定评估准则，提升漂浮式风电基础设计优化空间。

3.3 基础新形式、新材料、新工艺应用

浮式基础的建设成本是整个漂浮式风电机组成本的重要组成部分，其中材料费用是影响成本的主要因素。目前半潜式浮式平台大多采用钢结构，国内漂浮式海上风电样机平台平均成本约为6 000万元，远高于欧洲同类型平台，存在较大成本下降空间。

在保证安全性及稳定性的情况下，通过采用主动压载技术、双机头、无塔筒等技术优化漂浮式基础结构型式以及采用垂直轴风机等方法降低用钢量，是浮式基础降本的主要方向之一。例如，由X1 Wind公司设计的PivotBuoy浮式风机，首创下风式浮式风机全自动偏航；法国公司Eolink研发的浮式风电设计Eolink，能够有效减轻重量并大幅降低成本，同时平衡应力分布，以减少疲劳等。

此外，使用价格较为低廉的混凝土等材料，同样有助于浮式平台成本下降。Hywind Tampen、Floatgen等浮式风电项目均使用混凝土作为主体材料，国内学者也开展相关研究，证明了混凝土浮体的可行性和经济性[14-15]。

3.4 综合利用

综合利用是降低漂浮式海上风电开发成本、提升项目整体综合效益的又一途径。通过推动海上风电与海洋牧场、海上油气、海水淡化、制氢、储能等多种资源的综合利用和融合发展，提升资源利用效率；考虑风、光、浪、潮流等环境因素，推动海上“能源岛”重大示范工程，研发深远海漂浮式风、光、潮综合利用，提高浮式平台的利用效率，有助于进一步优化浮式发电场的布置，提高发电场的输出功率，降低发电场的成本，提高投资回报率。

3.5 建设和运维的智能化、数字孪生技术运用

漂浮式海上风电机组处于深远海域[7]，海洋环境复杂，运维窗口期时间短、难度大、成本高，机组故障提前预判及预防性维护意义重大。实时监控机组运行状态的智能监测系统、故障预警系统、智能诊断分析技术及远程维护技术成为重要需求，基于监测系统、大数据、人工智能、无人机、智慧机器人等数字化技术，研发推广在线监测、状态检测、智能运维等数字化、智能化技术创新应用，有针对性地开发安全系数高、效率优的检修装备也是未来的发展趋势。

基于耦合数字孪生技术，建立高度仿真的深远海漂浮式风电机组实时动态模型，充分利用监测传感器等实测数据及其他相关资料，实时更新虚拟实体与物理实体的对应关系，反映漂浮式风电机组全生命周期过程，以达到模拟、监测、预测等目的，也是大幅降低运维成本的关键技术之一。

4 结 语

本文系统梳理了漂浮式海上风电系统涉及的核心技术，包括风电机组、浮式基础、系泊系统、动态海缆、一体化仿真、水池试验、运输与施工等；并对未来发展趋势进行展望，主要包括风机大型化、一体化耦合仿真研究、新形式新材料的使用、综合开发利用以及智能化运维等。

以深远海海上风电开发的巨大需求、科技突破和解决瓶颈问题为导向，沿着安全可靠和降本增效的关键路径，以技术创新和项目实践为引领，设计、制造、运输、安装及运维方通力合作，定当成功推动和实现我国漂浮式海上风电的规模化、商业化发展。