海上風(fēng)力發(fā)電概況

1、摘要綠色能源的未來(lái)在于大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，而大型風(fēng)電場(chǎng)的未來(lái)在海上。本文簡(jiǎn)要敘 述了全球海上風(fēng)力發(fā)電的近況和一些主要國(guó)家的發(fā)展計(jì)劃，并介紹了海上風(fēng)電場(chǎng) 的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和吊裝方法。關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；吊裝方法。要曰- 叫一工才、兒矛一未來(lái)大型凰力窕雷埸、大型凰力O未 來(lái)海上。本文ffi述術(shù)左世界海上凰力O近況上k、力、主要國(guó) 窕展言十畫(huà)研%已介）左海上凰力基碟橫造上架哉方法。幸一一卜 海上凰力窕雷、凰力窕雷二二卜；基碟橫造；架哉方法。1引言1.1風(fēng)力發(fā)電是近年來(lái)世界各國(guó)普遍關(guān)注的可再生能源開(kāi)發(fā)項(xiàng)目之一，發(fā)展速度 非?？臁?9972004年，全球風(fēng)電裝機(jī)容量平均增長(zhǎng)率達(dá)26.1%。目

2、前全球風(fēng)電 裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到5000萬(wàn)千瓦左右，相當(dāng)于47座標(biāo)準(zhǔn)核電站。隨著風(fēng)電技術(shù)逐 漸由陸上延伸到海上，海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界可再生能源發(fā)展領(lǐng)域的焦點(diǎn)。1.2海上風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn)風(fēng)能資源儲(chǔ)量大、環(huán)境污染小、不占用耕地;低風(fēng)切變，低湍流強(qiáng)度較低 的疲勞載荷；高產(chǎn)出：海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)噪音要求較低，可通過(guò)增加轉(zhuǎn)動(dòng)速度及 電壓來(lái)提高電能產(chǎn)出；海 上風(fēng)電場(chǎng)允許單 機(jī)容量更大的風(fēng)機(jī)，高者可達(dá) 5MW10MW2海上風(fēng)能的利用特點(diǎn)海上風(fēng)況優(yōu)于陸地，風(fēng)流過(guò)粗糙的地表或障礙物時(shí)，風(fēng)速的大小和方向都會(huì)變化， 而海面粗糙度小，離岸10km的海上風(fēng)速通常比沿岸陸上高約25%；海上風(fēng)湍流 強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，機(jī)組承受

3、的疲勞負(fù)荷較低，使得風(fēng)機(jī)壽命更長(zhǎng)； 風(fēng)切變小，因而塔架可以較短；在海上開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能，受噪聲、景觀影響、鳥(niǎo)類 影響、電磁波干擾等問(wèn)題的限制較少；海上風(fēng)電場(chǎng)不占陸上土地，不涉及土地征 用等問(wèn)題，對(duì)于人口比較集中，陸地面積相對(duì)較小、瀕臨海洋的國(guó)家或地區(qū)較適 合發(fā)展海上風(fēng)電海上風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用不會(huì)造成大氣污染和產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，可 減少溫室效應(yīng)氣體的排放。3海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展3.1第一個(gè)發(fā)展階段500600kW級(jí)樣機(jī)研制早在上世紀(jì)70年代初，一些歐洲國(guó)家就提出了利用海上風(fēng)能發(fā)電的想法，到 19911997年，丹麥、荷蘭和瑞典才完成了樣機(jī)的試制，通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行的試驗(yàn)， 首次獲得了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作經(jīng)驗(yàn)

4、。但從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)看，500600kW級(jí)的 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和項(xiàng)目規(guī)模都顯得太小了。因此，丹麥、荷蘭等歐洲國(guó)家隨之開(kāi)展 了新的研究和發(fā)展計(jì)劃。有關(guān)部門(mén)也開(kāi)始重新以嚴(yán)肅的態(tài)度對(duì)待海上風(fēng)電場(chǎng)的建 設(shè)工作。3.2第二個(gè)發(fā)展階段一第一代MW級(jí)海上商業(yè)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)2002年，5個(gè)新的海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)，功率為1.52MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向公共 電網(wǎng)輸送電力，開(kāi)始了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的新階段。在20022003年，按照 第一次大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)計(jì)劃，將有160MW總裝機(jī)功率的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組投入 使用。這些轉(zhuǎn)子直徑在80m以上的第一代商業(yè)用海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是為適應(yīng) 在海上使用的要求在陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)上

5、多次改型的。例如，配備了可進(jìn)行 就地維修的船用工具，使電站機(jī)器間具備防腐蝕和耐氣候變化功能等。3.3第三個(gè)發(fā)展階段一第二代數(shù)MW級(jí)陸地和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用，體現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向大型化發(fā)展的方向，這種趨 勢(shì)在德國(guó)市場(chǎng)上表現(xiàn)得尤為明顯。新一代渦輪機(jī)的功率達(dá)35MW，風(fēng)輪直徑達(dá) 90115m，目前它們正處于研制和試驗(yàn)階段。3.4第四個(gè)發(fā)展階段一第三代數(shù)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)利用這一代商業(yè)用海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率大于5MW，風(fēng)輪直徑約120m，這種風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組只適于在海上使用。目前，已經(jīng)具備海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備商業(yè)生產(chǎn)能力的廠 家，主要有 Vestas （丹麥）、Bonus

6、 （丹麥）、NEG-Micon （丹麥）、GE Wind Energy （美國(guó)）、Nordex （德國(guó)）、Enercon （德國(guó)）、REpower （德國(guó)）。單機(jī)額定功率覆 蓋范圍從 2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW、到到 5MW。葉輪直徑從 80m、85.4m、 100m、110m、114m、116m到126 m （詳見(jiàn)表3）。風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型化，巨型化的 趨勢(shì)已十分明顯。3.5海上風(fēng)力機(jī)參數(shù)生產(chǎn)商（國(guó)家）風(fēng)電機(jī)組型 號(hào)額定功 率/MW葉輪直 徑/m葉輪轉(zhuǎn)速 /rpm葉片 數(shù)功率調(diào)節(jié)Vestas（丹麥）V90-2.0MW Offshore2.080可變速 9-193變槳距

7、調(diào)節(jié)Bonus（丹麥）Bonus 3.6MW3.6107可變速 5-133變槳距調(diào)節(jié)NEG-Micon（丹麥）NEG-Micon722.072同步轉(zhuǎn)速 12/183主動(dòng)失速調(diào) 節(jié)GE Wind Energy （美國(guó)）GE 3.6MW3.6104可變速 8.5-15.33變槳距調(diào)節(jié)Nordex（德國(guó)）N80-2.5MW Offshore2.580可變速 10.9-19.13變槳距調(diào)節(jié)Enercon（德國(guó)）E-1124.5114可變速 8-133變槳距調(diào)節(jié)REpower（德國(guó)）REpower 5M5.0126可變速 6.9-12.13電動(dòng)變槳距 調(diào)節(jié)4海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)形式目前經(jīng)常被討論的基礎(chǔ)形式

8、主要涵蓋參考海洋平臺(tái)的固定式基礎(chǔ)，和處于概念階 段的漂浮式基礎(chǔ)，具體包括：?jiǎn)螛痘A(chǔ)；浮置式基礎(chǔ)；三腿或多腿固定式基礎(chǔ)；混凝土重力固定式基礎(chǔ)；鋼制重力固定式基礎(chǔ)；桶式基礎(chǔ)4.1單樁基礎(chǔ)單樁固定式基礎(chǔ)現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為風(fēng)電機(jī)組安裝的一種標(biāo)準(zhǔn)方案，并已經(jīng)在許多大型海上風(fēng) 電場(chǎng)中采用，如 Horns Rev、Sams Sams。、Utgrunden、ArklowBank、Scroby Sands 和 Kentish Flats。這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尤其適用于2025m的中淺水域，目前通常采用的直徑為4m，未來(lái)可 能將達(dá)到56m。此方案的最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的簡(jiǎn)易性利用打樁、鉆孔或噴沖的方法將 樁基安裝在海底泥面以下

9、一定的深度，通過(guò)調(diào)整片或護(hù)套來(lái)補(bǔ)償打樁過(guò)程中的微小傾斜以保 證基礎(chǔ)的平正。而它的弊端在于海床較為堅(jiān)硬時(shí)，鉆孔的成本較高。4.2浮置式基礎(chǔ)浮置式基礎(chǔ)適用于50100m的水深，其成本較低，而且能夠擴(kuò)展現(xiàn)有海上風(fēng)電場(chǎng)的范圍。但 是，由于其不穩(wěn)定，意味著僅能應(yīng)用于海浪較低的情況。此外，齒輪箱和發(fā)電機(jī)這些旋轉(zhuǎn)機(jī) 械長(zhǎng)期工作在加速度較大的環(huán)境下，從而潛在的增大了風(fēng)險(xiǎn)并降低了使用壽命。4.3三腿或多腿固定式基礎(chǔ)此方案適用于水深超過(guò)30m的條件。較單樁固定式更為堅(jiān)固和多用，但其成本較高，移動(dòng)性 也不好。與單樁固定式一樣，不適宜較軟的海床。4.4混凝土重力固定式基礎(chǔ)這是海上風(fēng)電場(chǎng)采用的第一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它主要是靠

10、體積龐大的混凝土塊的重力來(lái)固定風(fēng)機(jī) 的位置。這種方案使用方便，而且適用于各種海床土質(zhì)，但是由于它重量大，搬運(yùn)的費(fèi)用較 高。4.5鋼制重力固定式基礎(chǔ)與混凝土重力固定式一樣，它也是靠自身重力固定風(fēng)機(jī)位置的，但鋼制的重量?jī)H有80110 噸，從而使安裝和運(yùn)輸更為簡(jiǎn)單。當(dāng)把鋼制基座固定之后，向其內(nèi)部填充重礦石以增加重量 （一般為1000噸左右）。雖然此方案也適用于所有海床土質(zhì)，但其抗腐蝕性較差，需要長(zhǎng)期 保護(hù)。4.6桶式基礎(chǔ)這種基礎(chǔ)是將其放置在海床上之后，抽空內(nèi)部的海水，靠周?chē)Ｋa(chǎn)生壓力將其固定在海 床上。此種基礎(chǔ)大大節(jié)省了鋼材用量和海上施工時(shí)間，降低了生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝成本，同時(shí) 拆除基礎(chǔ)也很方便。

11、5海上風(fēng)電場(chǎng)吊裝方法離岸風(fēng)機(jī)的安裝相對(duì)于岸上安裝難度頗高，可通過(guò)千斤頂駁船或者浮吊船完成。其中的選擇 取決于海水深度、起吊機(jī)的能力和駁船的載重量。起吊機(jī)應(yīng)具備提升風(fēng)機(jī)主要部件（塔架、 機(jī)艙、葉輪等）的能力，其吊鉤提升高度應(yīng)大于機(jī)艙的尺寸，確保塔架和風(fēng)機(jī)裝配件的安裝。 現(xiàn)有的浮吊船大多不是特意為海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)安裝而設(shè)計(jì)制造的。對(duì)于大型海上風(fēng)電場(chǎng)（機(jī)組超過(guò)50臺(tái)），通過(guò)使用安裝駁船來(lái)控制建設(shè)周期（即控制成本），完成建設(shè)任務(wù)。具 體包括：5.1千斤頂安裝5.1.1千斤頂安裝以千斤頂?shù)跹b塔架、機(jī)艙和葉輪是最先出現(xiàn)的海上風(fēng)電場(chǎng)吊裝方法。千斤頂可 為安裝工作提供一個(gè)穩(wěn)定的基座，因此它也是打樁工程的首選。

12、然而，其缺乏內(nèi) 在穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性使塔架的安裝較為困難5.2半沉式安裝5.2.1半沉式安裝對(duì)于執(zhí)行海上建設(shè)工作，半沉式起吊船是漂浮平臺(tái)中最穩(wěn)定的一種?，F(xiàn)有的駁船 設(shè)計(jì)僅適用于較遠(yuǎn)的海上作業(yè)，而在淺灘地區(qū)較難發(fā)揮作用。5.3載運(yùn)船，平底駁船，地面起吊機(jī)5.3.1載運(yùn)船，平底駁船，地面起吊機(jī)載運(yùn)船和平底駁船在建設(shè)作業(yè)中的穩(wěn)定性不夠理想，較易受天氣狀況的影響。而地面起吊機(jī)，只要天氣良好，便可顯示出其旋轉(zhuǎn)起吊機(jī)和費(fèi)用低廉這來(lái)兩項(xiàng)優(yōu) 勢(shì)。5.4漂浮式安裝5.4.1漂浮式安裝所謂漂浮式安裝，就是先將塔架在碼頭上垂直吊起，再將其下放至待安裝的模擬 樁基上，用釘子固定，然后垂直安置于駁船上準(zhǔn)備運(yùn)送。等到漲潮時(shí)，

13、排放壓艙 水使塔架與模擬樁基分開(kāi)，一旦達(dá)到安全水深，駁船即引入壓艙水作牽引之用， 到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)后，駁船再次排放壓艙水，安全固定于海上風(fēng)電場(chǎng)的樁基上。然后 再次引入壓艙水使駁船下沉，在樁基上調(diào)轉(zhuǎn)塔架的支撐件，最后撤出駁船完成海 上安裝工作。6各國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃6.1德國(guó)在海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)方面，德國(guó)的規(guī)劃可謂氣勢(shì)宏偉，累計(jì)安裝容量排名第一。 根據(jù)德國(guó)政府2002年公布的戰(zhàn)略綱要，2006年安裝的海上風(fēng)機(jī)容量至少在 500MW，2010年安裝量將增至3000MW，2030年的長(zhǎng)期目標(biāo)中，包括德國(guó)海岸地 區(qū)、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)（EEZ）和國(guó)土外圍12英里范圍內(nèi)安裝容量將達(dá)到25000MW，產(chǎn) 生7085TW

14、h的電力，達(dá)到1998年電力需求的15%6。由于缺乏合適的場(chǎng)地，德國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)的興建工作將在今后十多年中減緩，從而 轉(zhuǎn)向海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)。目前已經(jīng)在12英里開(kāi)外的深水地區(qū)，以及近海地區(qū)都 建造了海上風(fēng)電場(chǎng)，如Borkum和Butendiek風(fēng)電場(chǎng)。2005年12月，德國(guó)通過(guò) 了一項(xiàng)400MW的海上風(fēng)電項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于北海，是德國(guó)迄今通過(guò)的第十個(gè)海上 風(fēng)電項(xiàng)目。6.2丹麥作為全球風(fēng)電行業(yè)的先驅(qū)和領(lǐng)袖，丹麥擁有全球市場(chǎng)份額逾1/3的風(fēng)機(jī)制造商 Vestas，其2003年風(fēng)力發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的18%。2003年末，160MW的Nysted 大型海上風(fēng)電場(chǎng)首期工程宣告竣工，同時(shí)Horns Rev海

15、上風(fēng)電場(chǎng)擴(kuò)張工程也已經(jīng) 排上日程，此外還有3座大型海上風(fēng)電場(chǎng)(L&s6、Om0 Stalgrunde和Gedser Rev)仍在建設(shè)當(dāng)中。預(yù)計(jì)到2030年，風(fēng)力發(fā)電量將占該國(guó)總發(fā)電量的50%。6.3美國(guó)美國(guó)海上風(fēng)海上風(fēng)電健康發(fā)展。作為美國(guó)首座海上風(fēng)電場(chǎng)，位于美國(guó)電的發(fā)展目 標(biāo)首先鎖定在淺灘，然后再發(fā)展至深水區(qū)域，其主要采用單機(jī)容量為5MW以上的 風(fēng)機(jī)。目前正在研制深水技術(shù)，在技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，也將注重成本的控制，確保 東北部鱈魚(yú)岬(Cape Cod)的鱈魚(yú)岬海上風(fēng)電場(chǎng)(Cape Wind)現(xiàn)已建設(shè)完畢， 該風(fēng)電場(chǎng)由170個(gè)變槳距上風(fēng)向的三葉式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，總裝機(jī)容量達(dá)到 454MW，相應(yīng)所需的

16、風(fēng)速在14m/s至25m/s，在平均風(fēng)速19m/s的情況下，傳輸 到電網(wǎng)上的發(fā)電量達(dá)1.5GW9；此外，皇后區(qū)西北面的長(zhǎng)島電力局(the Long Island Power Authority, LIPA)也已經(jīng)提出開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量為140MW海上風(fēng)電場(chǎng) 的計(jì)劃。6.4其他國(guó)家近些年，歐洲地區(qū)的其他國(guó)家在海上風(fēng)電事業(yè)上也得到了迅速發(fā)展。荷蘭政府目 標(biāo)在2010年總裝機(jī)容量達(dá)到1500MW，首批建成兩個(gè)近海風(fēng)電場(chǎng)(Noordzeewind 和 Egmond)；比利時(shí)的 Zephyr Consortium和 C-Power 正在 Thornton Bank 附近 進(jìn)行一項(xiàng)離岸30公里的海上風(fēng)電場(chǎng)；瑞典目前有11座海上風(fēng)電場(chǎng)正在規(guī)劃中， 預(yù)計(jì)到2008年將建成15座海上風(fēng)電場(chǎng);愛(ài)爾蘭海上風(fēng)電場(chǎng)的領(lǐng)路者Arklow bank 風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到25MW的裝機(jī)容量，并將擴(kuò)至500MW，同時(shí)在愛(ài)爾蘭的東海岸正 在擬定建設(shè)另外6座海上風(fēng)電場(chǎng)，總裝機(jī)容量為1000MW；法國(guó)由于其沿海地區(qū) 海浪和潮汐條件惡劣，建造海上風(fēng)電場(chǎng)挑戰(zhàn)性較大，但其擬建總?cè)萘恳策_(dá)到 778MW.結(jié)論本文從海上風(fēng)電的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀、遠(yuǎn)景、以及基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與安裝等方面詳細(xì)闡 述了目前海上風(fēng)電的發(fā)展情況，并介