探討海上風(fēng)力發(fā)電及其關(guān)鍵技術(shù)

1、探討海上風(fēng)力發(fā)電及其關(guān)鍵技術(shù)摘要：利用海上風(fēng)力資源發(fā)電來緩解電力供應(yīng)日益緊張的局面和應(yīng)對傳統(tǒng)電力 生產(chǎn)帶來的環(huán)境問題，是目前很多國家能源發(fā)展政策的戰(zhàn)略導(dǎo)向。本文通過簡要 介紹國內(nèi)外海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，分析目前普遍應(yīng)用和重點(diǎn)研究 的幾種海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)計形式的技術(shù)特點(diǎn)、在我國的適 用性及其經(jīng)濟(jì)性，并且對我國發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與展望。關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力；發(fā)電技術(shù)；能源引言由于人類社會生產(chǎn)和生活方式的發(fā)展，電能是使用技術(shù)最為成熟和應(yīng)用最為 廣泛的能源。因此對天然能源最有效的利用方式是將這些能源首先轉(zhuǎn)化為電能， 將電力能源供應(yīng)給個人或者企業(yè)用戶之后，再

2、根據(jù)具體使用需要將其轉(zhuǎn)變成動能、 熱能以及光能等形式。因此能量的轉(zhuǎn)換技術(shù)是現(xiàn)代人類社會生產(chǎn)和生活中應(yīng)用的 最關(guān)鍵的技術(shù)之一，而發(fā)電技術(shù)是其中影響最深遠(yuǎn)的一種。海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用概況1.1海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述與傳統(tǒng)能源的開采利用相比，撲捉和利用海上風(fēng)力資源面臨空前的技術(shù)難題。 這些技術(shù)問題涵蓋了能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的設(shè)計研發(fā)、發(fā)電設(shè)備的安裝施工、海上風(fēng)力 發(fā)電電能的傳輸和供電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以及海上風(fēng)力電場的運(yùn)維管理等方面。因此盡 管早在二十世紀(jì)的七十年代就有人提出了利用海上風(fēng)力發(fā)電的設(shè)想，但是全面的 科學(xué)研究和實踐應(yīng)用到上個世紀(jì)末才真正的全面展開。這由于與陸地風(fēng)力發(fā)電技 術(shù)的研究相比，海上風(fēng)力發(fā)電

3、面臨的復(fù)雜施工地質(zhì)環(huán)境缺乏成熟和可借鑒的工程 技術(shù)做為基礎(chǔ)，針對海水的波浪沖擊、海冰影響、海水腐蝕以及海上風(fēng)力和風(fēng)向 變化也沒有系統(tǒng)的荷載計算和分析標(biāo)準(zhǔn)。另一方面因為特殊的工程環(huán)境和施工、 運(yùn)輸以及運(yùn)維技術(shù)需要等因素，造成海上風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)缺少足夠的成熟經(jīng)驗做 為參考，導(dǎo)致建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電場的投資規(guī)模和回報率具有很多不確定性，因而 海上風(fēng)力發(fā)的商用推廣近十年才隨著相關(guān)技術(shù)的日漸成熟真正展開。1.2國內(nèi)外海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展概況海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在上個世紀(jì)的最后十年取得了突破，其中德國、英國和丹 麥由于有比較豐富的利用風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)基礎(chǔ)，并且在海上工程施工技術(shù)和風(fēng)力 發(fā)電設(shè)備的制造技術(shù)方面具有相

4、對豐富的技術(shù)資源，因此目前這幾個國家的海上 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)處于明顯的領(lǐng)先地位。而鑒于傳統(tǒng)能源枯竭的趨勢難以逆轉(zhuǎn)、 水力發(fā)電已經(jīng)沒有足夠的潛力可以挖掘以及火力發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境問題，美國和日 本等發(fā)達(dá)國家紛紛將發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)列入了國家的能源發(fā)展戰(zhàn)略，并且美 國和歐盟都對未來幾年海上風(fēng)力發(fā)電在發(fā)電總量當(dāng)中所占的比例提出了戰(zhàn)略要求， 致力于逐步提高海上風(fēng)力發(fā)電的比率。而我國有非常優(yōu)越的海上風(fēng)力發(fā)電環(huán)境條 件，擁有漫長的海岸線并且沿岸的海水深度相對較淺，因此我國政府對發(fā)展海上 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)給予了極大的支持。我國目前已經(jīng)制定了建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電場的明 確戰(zhàn)略目標(biāo)，已建成和在建的海上風(fēng)力發(fā)電場項目數(shù)量都

5、在極速增長，據(jù)有關(guān)部 門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在2016年底我國的海上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)位列世界第 三。并且從發(fā)展勢頭來看，在未來幾年中國的海上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)新增容量在世界 所有國家和地區(qū)中所占的比例會迅速提高。而目前英國依然穩(wěn)居海上風(fēng)力發(fā)電裝 機(jī)容量的第一位，所占的比例超過40%，德國則緊隨其后。海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)形式及其關(guān)鍵技術(shù)原理簡析2.1海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)計分類概述設(shè)置在海上的風(fēng)力發(fā)電的主要設(shè)備需要有具有一定承重能力和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)， 才能夠穩(wěn)定可靠的捕捉和轉(zhuǎn)化海上的風(fēng)能，因此基礎(chǔ)的設(shè)計主要需要考慮其承重 能力和在復(fù)雜的海上環(huán)境與風(fēng)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的荷載下工作的穩(wěn)定性。根據(jù)基礎(chǔ) 與海床之間的相對關(guān)

6、系，目前的設(shè)計基本可以分為固定式和懸浮式兩種。其中懸 浮式的基礎(chǔ)設(shè)計是針對海水深度大于五十米的情況，參照海上石油天然氣開采平 臺的建設(shè)技術(shù)而研究的，目前還沒有具體的實踐應(yīng)用。而因海床工程地質(zhì)條件和 海水深度的不同，固定式基礎(chǔ)的具體結(jié)構(gòu)又分為多種形式。2.2重力式基礎(chǔ)原理及其技術(shù)要點(diǎn)重力式的海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)計是在傳統(tǒng)的船塢和碼頭工程技術(shù)的基礎(chǔ)上， 根據(jù)風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)行和安裝需要改進(jìn)而成，因此基礎(chǔ)的設(shè)計、預(yù)制、運(yùn)輸和安裝 技術(shù)都比較成熟。其原理是利用基礎(chǔ)自身材料的和所承載的風(fēng)電設(shè)備的重力，實 現(xiàn)整個發(fā)電設(shè)施在海床上的穩(wěn)定運(yùn)行，因此在具體的技術(shù)參數(shù)的設(shè)計中的關(guān)鍵是 計算風(fēng)電設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)和環(huán)境帶來的荷載

7、。目前重力式基礎(chǔ)的應(yīng)用主要受到海床工 程地質(zhì)條件、海水深度和經(jīng)濟(jì)性的限制，首先由于重力式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求海床 天然結(jié)構(gòu)比較堅實，并且在預(yù)制的基礎(chǔ)沉入海底之前需要對海床進(jìn)行預(yù)處理，而 在我國很多近海海床存在軟土層，導(dǎo)致預(yù)處理所需要耗費(fèi)的成本比較可觀；其次 由于技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)性所限，目前重力式基礎(chǔ)的使用僅限于海水深度小于10m的 海域。2.3樁基式基礎(chǔ)技術(shù)原理及其應(yīng)用在目前已經(jīng)建成的海上風(fēng)力發(fā)電場當(dāng)中，樁式基礎(chǔ)的應(yīng)用占有最大的比例， 尤其是其中的單樁式基礎(chǔ)，是海上風(fēng)電大國丹麥海上電場建設(shè)的主要基礎(chǔ)形式。 這一方面是因為這一設(shè)計形式的施工技術(shù)相對簡單和經(jīng)濟(jì)，另一方面與丹麥沿海 的海床工程地質(zhì)條件有關(guān)

8、。單樁式基礎(chǔ)的材料采用大徑空心柱形鋼管，利用大功 率的打樁設(shè)備直接嵌入海床，為了實現(xiàn)風(fēng)電設(shè)施在海上的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，單體式 的鋼管直徑最大可達(dá)六米，能夠適用的海水最大深度為30m。但是由于來自海水、 海風(fēng)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行荷載的承載形式所限，這種風(fēng)電設(shè)施基礎(chǔ)形式對海床工程地質(zhì)的 要求相對較高，而且由于目前海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，單樁的直 徑過大導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性變差和面臨施工技術(shù)瓶頸。因此在實踐應(yīng)用過程中又演化出 了單立柱三樁、導(dǎo)管架式以及多樁承臺式等多種樁基式基礎(chǔ)，通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形 式來增強(qiáng)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和對施工地質(zhì)條件、荷載變化規(guī)律的適應(yīng)性。其中的導(dǎo)管 架式基礎(chǔ)由于良好的經(jīng)濟(jì)性和廣泛的適用性而獲

9、得了較多應(yīng)用，而多樁承臺式基 礎(chǔ)在海上石油和天然氣開采平臺建設(shè)中有著廣泛應(yīng)用，因此在我國有著比較豐富 的設(shè)計使用經(jīng)驗和施工技術(shù)資源，因此在國內(nèi)的海上風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)中有所應(yīng)用。2.4負(fù)壓式基礎(chǔ)設(shè)計原理及其關(guān)鍵技術(shù)分析鑒于重力式基礎(chǔ)在預(yù)制和運(yùn)輸方面所受到的限制，科研人員基于運(yùn)用外力將 整個風(fēng)電設(shè)施與海床之間進(jìn)行固定的考慮，設(shè)計了桶式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，并且在安裝 就位之后在桶式基礎(chǔ)的空腔內(nèi)制造負(fù)壓，讓基礎(chǔ)依靠負(fù)壓的作用吸附在海床之上。 這一設(shè)計形式的實踐應(yīng)用的關(guān)鍵制約因素是海床附近海水的沖刷和海水的腐蝕作 用，因為利用負(fù)壓固定在海床上的基礎(chǔ)一旦因外力作用受到損壞，立即會影響風(fēng) 電設(shè)施的穩(wěn)定性，因此這種基礎(chǔ)

10、形式目前還沒有在海上風(fēng)電場建設(shè)中應(yīng)用的案例。2.5懸浮式基礎(chǔ)設(shè)計原理及其關(guān)鍵技術(shù)懸浮式基礎(chǔ)設(shè)計研究的出發(fā)點(diǎn)是開發(fā)利用遠(yuǎn)海和深水海域上的風(fēng)力資源，這 項技術(shù)的研究也建立在已有的海上油氣開采平臺建設(shè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，目前美國和 日本在這一方面都取得了實質(zhì)性的進(jìn)展，但是礙于遠(yuǎn)海和深水區(qū)域風(fēng)電場建設(shè)、 運(yùn)營和維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性和相關(guān)技術(shù)的不成熟，目前也還處于探索的階段。海上風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)國際上海上風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)在近幾年才有了快速的發(fā)展，其中2015年更是 出現(xiàn)了新增裝機(jī)容量比前一年增長98%的高峰。但是這幾年海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的 應(yīng)用增長并不代表著這項技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，在解決風(fēng)電場建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性方面依 然存在大量的技術(shù)性難點(diǎn)，例如為提高工程的經(jīng)濟(jì)性而不斷擴(kuò)大的風(fēng)電機(jī)組容量 目前很難突破5MW，另外在海上電場的運(yùn)營和維護(hù)方面也還要解決很多技術(shù)問 題。未來的研究方向應(yīng)當(dāng)包括如何通過智能化的控制技術(shù)提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性 和效率并實現(xiàn)電場運(yùn)行故障的遠(yuǎn)程診斷和排除、運(yùn)用高科技手段解決電場建設(shè)中 的工程技術(shù)問題、通過新材料和新工藝的研發(fā)提高發(fā)電設(shè)備的工作性能和運(yùn)行的 可靠性等。結(jié)束語在海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域，我國正在逐漸接近國際領(lǐng)先的水平， 并且在海上風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)方面正在取得快速的進(jìn)步，相信未來不久就會在海 上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究方面取得更有價值的成果。參考文獻(xiàn)：吳重仲.海上風(fēng)