一、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，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50m以內(nèi)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)容量和每個風(fēng)電場機(jī)組的臺數(shù)。鋪設(shè)150MW海上風(fēng)電場用的海底電纜與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120～150MW。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)計壽命計算，估測的發(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)展大致可分為5個不同時期：
1、1977～1988年，歐洲對國家級海上風(fēng)電場的資源和技術(shù)進(jìn)行 研究 ；
2、1990～1998年，進(jìn)行歐洲級海上風(fēng)電場 研究 ，并開始實施第1批示范計劃；
3、1991～1998年，開發(fā)中型海上風(fēng)電場；
4、1999～2005年，開發(fā)大型海上風(fēng)電場和研制大型風(fēng)力機(jī)；
5、2005年以后，開發(fā)大型風(fēng)力機(jī)海上風(fēng)電場。
二、海上風(fēng)環(huán)境
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。由于海上風(fēng)邊界層低，所以海面上塔高可以降低。
陸地、海上風(fēng)速剖面圖比較
2、風(fēng)湍流特性
湍流度描述的是風(fēng)速相對于其平均值的瞬時變化情況，可以表示為風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以一段時間（通常10min）風(fēng)速的平均值。自由風(fēng)湍流特性對風(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)動產(chǎn)生的擾動恢復(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。除此之外，湍流度還隨高度增加而幾乎呈線性下降趨勢。
海上風(fēng)速與湍流度關(guān)系
海面上高度與湍流度關(guān)系
3、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，這是因為較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。
三、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）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)、三腳架基礎(chǔ)3種方式。
（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TunoeKnob風(fēng)電場的水深變化范圍在2.5～7.5m之間，每個混凝土基礎(chǔ)的平均質(zhì)量為1050t。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)由一個直徑在3～4.5m之間的鋼樁構(gòu)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(chǔ)有力地將風(fēng)塔伸到水下及海床內(nèi)。這種基礎(chǔ)的一大優(yōu)點是不需整理海床。但是，它需要防止海流對海床的沖刷，而且不適用于海床內(nèi)有巨石的位置。該技術(shù)應(yīng)用范圍水深小于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，采用了質(zhì)量輕、價格低的三腳鋼套管。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，這三個鋼樁被埋置于海床下10～20m的地方。
底部固定式支撐方式
2）懸浮式支撐
以懸浮式支撐有浮筒式和半浸入式2種方式，主要應(yīng)用于水深75～500m的范圍。
懸浮式支撐方式
（1）浮筒式支撐
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3～6MW、旋翼直徑80m的大型風(fēng)機(jī)。
2、風(fēng)機(jī)設(shè)計技術(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100～150MW是比較經(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：
1）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)計的，而海上則以更大地發(fā)揮空氣動力效益來優(yōu)化，高翼尖速度、小的槳葉面積將給風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)帶來一些設(shè)計上的有利變化。
2）變槳速運(yùn)行
高翼尖速度槳葉設(shè)計，可提高風(fēng)機(jī)起始工作風(fēng)速并帶來較大的氣動力損失，采用變槳速設(shè)計技術(shù)可以解決這個問題，它能使風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速附近以最大速度工作。
3）減少槳葉數(shù)量
現(xiàn)在大多數(shù)風(fēng)機(jī)采用3槳葉設(shè)計，存在噪聲和視覺污染。采用2槳葉設(shè)計會帶來氣動力損失，但可降低制造、安裝等成本，因此也是 研究 的一個方向。
4）新型高效發(fā)電機(jī)
研制結(jié)構(gòu)簡單、高效的發(fā)電機(jī)，如直接驅(qū)動同步環(huán)式發(fā)電機(jī)、直接驅(qū)動永磁式發(fā)電機(jī)、線繞高壓發(fā)電機(jī)等。
5）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上；控制系統(tǒng)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(fēng)機(jī)于安全停止位置。
6）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(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10MW的輸出，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。主轉(zhuǎn)子采用張線固定，其主軸迎風(fēng)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)驗與近岸淺水（0～30m）風(fēng)能開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，開展深海（50～200m）風(fēng)能開發(fā) 研究 ，包括低成本的錨定技術(shù)、平臺優(yōu)化、平臺動力學(xué) 研究 、懸浮風(fēng)力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)等。
四、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)，海上風(fēng)機(jī)可以生存，發(fā)展和 研究 主要是集中在降低成本和驗證可靠性方面，海上風(fēng)機(jī)問題關(guān)鍵是經(jīng)濟(jì)性問題，環(huán)境保護(hù)可能也是一個限制因素，預(yù)計10～15年后，深海風(fēng)能利用技術(shù)將得到應(yīng)用。我國從大連、山東到浙江、福建、廣東、海南一帶，風(fēng)力條件得天獨厚，如果能夠加以開發(fā)利用，既可以緩解電力供應(yīng)緊張形勢，又能大幅度降低火電的二氧化碳排放。對于能源緊缺的東部地區(qū)來說，無疑是個很好的發(fā)展方向。
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