焦忠虎　肖紀升

摘要：風蘊含的能量巨大，是水資源利用總能量的10倍。目前很多風力發(fā)電已經(jīng)建立在陸地上，但隨著人口的遷移與增長，陸地上的風力發(fā)電不僅占用了人類活動的場地，還制造了干擾大眾正常生活的噪音，阻礙了陸地風力發(fā)電區(qū)域的發(fā)展，因此，現(xiàn)在人們逐漸把視線轉移到海上，海上風力發(fā)電不影響人類對陸地的需求，可為人類帶來豐富的資源。

關鍵詞：海上風力發(fā)電；風能；樁基礎結構；導管架基礎；重力式基礎 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）01-0145-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.072

海上風能具有湍流輕度較小、主導風向較為穩(wěn)定、能節(jié)約土地資源等優(yōu)點，且風作為無公害能源之一，在近幾年時間里，已經(jīng)得到了歐洲市場的認可，海上風力發(fā)電事業(yè)在歐洲得到迅速的發(fā)展。借鑒目前世界上各個國家對經(jīng)濟安全的海上風電基礎形式的探索，積極發(fā)展我國的海上風能發(fā)電事業(yè)，對于我國的能源使用與分配有著至關重要的意義。

1 樁基礎結構

樁基礎結構分為三類：單樁基礎、多樁基礎和三角樁基礎。

單樁基礎結構是目前世界上應用最多的風力發(fā)電基礎機構，由大直徑鋼管組成。單樁基礎的固定方式是采用液壓撞擊法，撞錘將鋼管夯入海床或者在海床安裝鉆孔形成的。這種基礎的直徑有3～6m寬，壁厚約是直徑的1%。鋼管插入海床的深度根據(jù)海床土壤強度來定，依靠測土給予的壓力傳遞荷載。單樁基礎適合建設于淺水水域或是水深為20～25m的中水水域，且土質良好的海床上。單樁基礎的建設無需做海床準備，安裝方法簡單，但移動較為困難，且由于其鋼管直徑大，施工時需要借助特殊打樁船進行作業(yè)，若海床并非是適宜的土壤而是巖石，則還要增加鉆洞加大投入費用。單樁基礎結構廣泛應用于歐洲海上風力發(fā)電場，這也逐漸成為建設海上風力發(fā)電的一個標準。

多樁基礎是多個樁基打入土內(nèi)的一種形式，打樁方向可以斜向打入或者豎直打入，這種形式概念源自于海上油氣開發(fā)項目。多樁基礎可以很好地抵抗海上波浪、海水動力，適合應用于中等水深與深水水域中。根據(jù)水深不同、海水流動等外部因素造成的荷載以及風機系統(tǒng)動力的特性來確定多樁基礎上部結構。多樁基礎無需做海床準備，可用于各種海床質地、任何水深中，并且其質量小、建設簡單方便，但是所需成本高昂，安裝還需使用專門設備，工作年限過后其拆卸移動困難。隨著我國不斷推進海上深水水域風力發(fā)電場的建設，多樁基礎將來也有更大的發(fā)展。

三角樁基礎顧名思義是三腿支撐的基礎，其組成結構分別是中心柱、斜撐以及3根插入海床一定深度的圓鋼。鋼管與上部的連接是通過灌漿技術或者是裝模實現(xiàn)的，垂直或傾斜的管套方可使用。中心柱的作用類似于單樁基礎，基本支撐風機塔架。三角樁基礎是單樁基礎的發(fā)展，增強了結構的穩(wěn)定性、強度、剛度。

2 導管架基礎

風輪機運轉荷載以及海洋環(huán)境荷載是影響風基礎結構的主要荷載，采用鋼制材料的導管架重量較輕，對海床地質條件具有較強適應能力，且擁有較好的穩(wěn)定性，故此非常適合應用于較深海域的海上風基礎，目前在歐洲各大海上風電場都得到較為廣泛的應用。導管架主要以框架堆成結構為基礎。主體的導管架基礎結構主要可以劃分成兩個部分：一部分是包含了主筒體、平臺甲板以及主斜撐等結構的過渡段，另一部分是能分成先打樁導管架以及后打樁導管架這兩種結構形式的導管架基礎主體，再進一步探究導管架基礎由圓柱鋼管所組成的三腿或四腿基礎，這種基礎在深水域采油工程中的應用相當成熟，可推進應用于海上風力發(fā)電建設中。

3 重力式基礎

海上風電場風力基礎主要是將風電場基礎固定在海上的主要建筑物，由于風力基礎需要處在海洋環(huán)境中，不僅需要承受結構自身的重力，還需要考慮風荷載、水流力以及承受必須的波浪等，故此風力基礎的重力設計對于風電場具有關鍵的影響作用。最早的海上風力發(fā)電基礎建設形式是重力式基礎，其是依靠本身固有重力固定風機。可分為兩種形式：混凝土重力式基礎與鋼沉降基礎。一般適用于水深在10m以內(nèi)的水域中，不限制海床地質條件。當水域深度大于10m時，為了確保其自身重力足以抵抗風、海浪等外部荷載，基礎的建設尺寸將隨之加大，自然成本提高。重力式基礎造價低、結構簡單、受海床土質影響不大，但需提前做海床準備，建設工期長，其尺寸較大，質量大，使得安裝運輸不方便，提高了這方面的資金投入，反而使得總造價提高。

4 負壓桶式基礎

負壓桶式基礎是重力式基礎與傳統(tǒng)基礎的結合。桶形結構為上端封閉、下端開口、中間空腔的混凝土結構，通過對桶體內(nèi)部充壓縮空氣來實現(xiàn)氣浮拖運。沉貫就位時，先靠自身重量及平臺上部結構重量使其筒裙底端插入海底一定深度，桶內(nèi)形成封閉空間，然后用泵抽吸，形成負壓，負壓意為桶基礎在安裝時所使用的一種方法，其可承載部分動態(tài)峰值負載。

5 漂浮基礎

依據(jù)相關數(shù)據(jù)表明，在水深60～900m處的海上風力資源幾乎達到了1533GW，而在近海0～30m的水域僅有430GW，故此相較于近海水域的風力，深海水域的風力更為豐富。單樁式基礎、重力式基礎這些固定的基礎并只適合用于水深在30m以內(nèi)的水域中，并不滿足深水水域的開發(fā)。

1972年在麻省理工學院中William E.Heronemus最先提出了漂浮基礎，隨著海上浮式平臺技術的不斷進步以及海上風力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展，漂浮基礎逐漸被人們了解且熟悉，促進了漂浮基礎漸漸成為未來風力發(fā)電建設的發(fā)展方向。按系泊系統(tǒng)對漂浮基礎進行劃分，可以分成應用壓載艙，使得整個系統(tǒng)的中心壓低至浮心之下，以確保整個風機能在水中保持穩(wěn)定；再采用3根懸鏈線來保持整個風機位置的日本Spar式；依靠自身重力和浮力的平衡以及懸鏈線來維持整個風機穩(wěn)定與位置的荷蘭浮箱式以及通過系泊線的張力給予整個風機穩(wěn)定的美國張力腿式。

6 關鍵技術分析

海上風力發(fā)電與陸地風力發(fā)電相比，其要克服海上特殊環(huán)境如強風所帶來的附加荷載、海水的腐蝕和海上波浪的沖擊等。海上風力發(fā)電機的建設技術比陸地風力發(fā)電機的建設技術挑戰(zhàn)更大，難度更高。

根據(jù)結構力學的計算分析，得出各部分電機的受力、變形情況來對電機結構進行合理設計。為了解決永磁同步發(fā)電機尺寸大、質量大的特點，設計了如優(yōu)化軸向長度與間隙比值、采用輕質材料等各種方法。另外采用膜化結構等方法來簡單化生產(chǎn)運輸與安裝。

海上風力發(fā)電機一般采用大型葉片來實現(xiàn)高葉尖速度比，提高能量捕獲能力。葉片的選材十分重要，其關系到整體質量、強度、剛度，一般選用環(huán)氧碳纖維樹脂這種新型輕質材料，質量可以減少20%～40%。目前我國在葉片選材技術方面取得了一定的進步，我國開發(fā)了高性能環(huán)氧乙烯基醋樹脂，相比于環(huán)氧樹脂，其成本要少10%，且材料效果相當。

冷卻系統(tǒng)的設計尤為重要，在風力發(fā)電機的發(fā)電組電機、變流器、齒輪箱等發(fā)熱構件中起著冷卻的作用，使溫度降低以免影響機器正常運行。冷卻液的質量與電動機的工作效率和使用壽命息息相關，可防止由于溫度升高而使電機結構變形，永久磁體不可逆而去磁，確保動機正常工作。海上風力發(fā)電機的運轉系統(tǒng)所發(fā)出的總熱量達到幾百千瓦，冷卻系統(tǒng)可選擇強制風冷或是液冷方式。由于強制風冷所需風量極大，另外海風也含大量鹽分等腐蝕物質，因此強制風冷在海上風力發(fā)電機中并不適合運用，而相反采用秘密性工作且導熱能力良好的液冷方式較為適用。

變流器在風力發(fā)電機中承擔著風能向動能的轉換和調控作用。其能起到無功補償?shù)淖饔?，在對電網(wǎng)傳送風力發(fā)電的有功分量的同時，也能控制電網(wǎng)無功分量。

隨著科技的發(fā)展，海上風力發(fā)電越來越遠離陸地且建設規(guī)模不斷擴大，對輸電并網(wǎng)技術的要求也越來越高。構成海上風場的離岸集電網(wǎng)絡與電能的傳輸方式是重要的把關部分。海上風場集電系統(tǒng)包括兩個部分，分別是風機與變電站。風機由多組構成，每一組的連接方式為星型或串型，串型中的每個風機附帶獨立的變壓器工作，多臺風機以串型連接起來與變電站相連。用星型連接方式連接的風機不需采用獨立的變壓器，因此其成本相對降低，但穩(wěn)定性也不如串型連接的好，在施工方面要建設多重集電平臺，加重工作量。目前的海上風力發(fā)電是采用串型連接方式。根據(jù)海底下電纜設置與風機的連接，應該把變電站建設在風場的幾何中心上，但陸上變電站的建設更加容易且降低成本，因此變電站在海上或是陸上目前都有使用。

7 結語

海上風力發(fā)電對于促進我國經(jīng)濟進步、發(fā)展友好型社會、保護環(huán)境有著積極作用，就目前我國科學技術來說，我們迫切需要研制適合于國情發(fā)展的海上風力發(fā)電機。結合相關問題，海上風力發(fā)電機的建設所需要成本高、運輸不便以及安裝困難成為開發(fā)海上風能利用的阻礙。我們可以借鑒歐洲先進的海上風力發(fā)電機建設技術，不斷加大建造規(guī)模，向深海水域方向發(fā)展。經(jīng)過人類對科學的不斷探索，海上風力發(fā)電技術必將越來越成熟，在關鍵技術上有更大突破，提高資源利用率。

參考文獻

[1] 李成良.風機葉片結構分析與優(yōu)化[D].武漢理工大學，2008.

[2] 王湛.雙圓弧葉片多翼風機內(nèi)流場的數(shù)值模擬及葉形研究[D].山東大學，2007.

[3] 曾翔君，張宏韜，李迎.大功率直驅風電系統(tǒng)高效率變流器設計[J].中國電機工程學報，2010，（30）.

[4] 李靜，陳健云.海上風力發(fā)電結構動力研究進展[J].海洋工程，2009，27（2）.

作者簡介：焦忠虎（1982-），黑龍江鶴崗人，天津港航工程有限公司工程師，研究方向：現(xiàn)場施工管理；肖紀升（1984-），河北滄州人，天津港航工程有限公司工程師，研究方向：現(xiàn)場施工管理。

（責任編輯：蔣建華）