海上风力发电概况

1、摘要绿色能源的未来在于大型风力发电场，而大型风电场的未来在海上。本文简要叙 述了全球海上风力发电的近况和一些主要国家的发展计划，并介绍了海上风电场 的基础结构和吊装方法。关键词：海上风电；风力发电机组；基础结构；吊装方法。要曰- 叫一工才、儿矛一未来大型凰力窕雷埸、大型凰力O未 来海上。本文ffi述术左世界海上凰力O近况上k、力、主要国 窕展言十画研%已介）左海上凰力基碟横造上架哉方法。幸一一卜 海上凰力窕雷、凰力窕雷二二卜；基碟横造；架哉方法。1引言1.1风力发电是近年来世界各国普遍关注的可再生能源开发项目之一，发展速度 非常快。19972004年，全球风电装机容量平均增长率达26.1%。目

2、前全球风电 装机容量已经达到5000万千瓦左右，相当于47座标准核电站。随着风电技术逐 渐由陆上延伸到海上，海上风力发电已经成为世界可再生能源发展领域的焦点。1.2海上风能的优点风能资源储量大、环境污染小、不占用耕地;低风切变，低湍流强度较低 的疲劳载荷；高产出：海上风电场对噪音要求较低，可通过增加转动速度及 电压来提高电能产出；海 上风电场允许单 机容量更大的风机，高者可达 5MW10MW2海上风能的利用特点海上风况优于陆地，风流过粗糙的地表或障碍物时，风速的大小和方向都会变化， 而海面粗糙度小，离岸10km的海上风速通常比沿岸陆上高约25%；海上风湍流 强度小，具有稳定的主导风向，机组承受

3、的疲劳负荷较低，使得风机寿命更长； 风切变小，因而塔架可以较短；在海上开发利用风能，受噪声、景观影响、鸟类 影响、电磁波干扰等问题的限制较少；海上风电场不占陆上土地，不涉及土地征 用等问题，对于人口比较集中，陆地面积相对较小、濒临海洋的国家或地区较适 合发展海上风电海上风能的开发利用不会造成大气污染和产生任何有害物质，可 减少温室效应气体的排放。3海上风电机组的发展3.1第一个发展阶段500600kW级样机研制早在上世纪70年代初，一些欧洲国家就提出了利用海上风能发电的想法，到 19911997年，丹麦、荷兰和瑞典才完成了样机的试制，通过对样机进行的试验， 首次获得了海上风力发电机组的工作经验

4、。但从经济观点来看，500600kW级的 风力发电机组和项目规模都显得太小了。因此，丹麦、荷兰等欧洲国家随之开展 了新的研究和发展计划。有关部门也开始重新以严肃的态度对待海上风电场的建 设工作。3.2第二个发展阶段一第一代MW级海上商业用风力发电机组的开发2002年，5个新的海上风电场的建设，功率为1.52MW的风力发电机组向公共 电网输送电力，开始了海上风力发电机组发展的新阶段。在20022003年，按照 第一次大规模风电场建设计划，将有160MW总装机功率的海上风力发电机组投入 使用。这些转子直径在80m以上的第一代商业用海上风力发电机组，是为适应 在海上使用的要求在陆地风力发电机组基础上

5、多次改型的。例如，配备了可进行 就地维修的船用工具，使电站机器间具备防腐蚀和耐气候变化功能等。3.3第三个发展阶段一第二代数MW级陆地和海上风力发电机组的应用MW级风力发电机组的应用，体现了风力发电机组向大型化发展的方向，这种趋 势在德国市场上表现得尤为明显。新一代涡轮机的功率达35MW，风轮直径达 90115m，目前它们正处于研制和试验阶段。3.4第四个发展阶段一第三代数MW级风力发电机组的开发利用这一代商业用海上风力发电机组的功率大于5MW，风轮直径约120m，这种风力发 电机组只适于在海上使用。目前，已经具备海上风力发电设备商业生产能力的厂 家，主要有 Vestas （丹麦）、Bonus

6、 （丹麦）、NEG-Micon （丹麦）、GE Wind Energy （美国）、Nordex （德国）、Enercon （德国）、REpower （德国）。单机额定功率覆 盖范围从 2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW、到到 5MW。叶轮直径从 80m、85.4m、 100m、110m、114m、116m到126 m （详见表3）。风力发电机大型化，巨型化的 趋势已十分明显。3.5海上风力机参数生产商（国家）风电机组型 号额定功 率/MW叶轮直 径/m叶轮转速 /rpm叶片 数功率调节Vestas（丹麦）V90-2.0MW Offshore2.080可变速 9-193变桨距

7、调节Bonus（丹麦）Bonus 3.6MW3.6107可变速 5-133变桨距调节NEG-Micon（丹麦）NEG-Micon722.072同步转速 12/183主动失速调 节GE Wind Energy （美国）GE 3.6MW3.6104可变速 8.5-15.33变桨距调节Nordex（德国）N80-2.5MW Offshore2.580可变速 10.9-19.13变桨距调节Enercon（德国）E-1124.5114可变速 8-133变桨距调节REpower（德国）REpower 5M5.0126可变速 6.9-12.13电动变桨距 调节4海上风电机组的基础形式目前经常被讨论的基础形式

8、主要涵盖参考海洋平台的固定式基础，和处于概念阶 段的漂浮式基础，具体包括：单桩基础；浮置式基础；三腿或多腿固定式基础；混凝土重力固定式基础；钢制重力固定式基础；桶式基础4.1单桩基础单桩固定式基础现在已经逐渐成为风电机组安装的一种标准方案，并已经在许多大型海上风 电场中采用，如 Horns Rev、Sams Sams。、Utgrunden、ArklowBank、Scroby Sands 和 Kentish Flats。这种基础结构尤其适用于2025m的中浅水域，目前通常采用的直径为4m，未来可 能将达到56m。此方案的最大的优点在于它的简易性利用打桩、钻孔或喷冲的方法将 桩基安装在海底泥面以下

9、一定的深度，通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜以保 证基础的平正。而它的弊端在于海床较为坚硬时，钻孔的成本较高。4.2浮置式基础浮置式基础适用于50100m的水深，其成本较低，而且能够扩展现有海上风电场的范围。但 是，由于其不稳定，意味着仅能应用于海浪较低的情况。此外，齿轮箱和发电机这些旋转机 械长期工作在加速度较大的环境下，从而潜在的增大了风险并降低了使用寿命。4.3三腿或多腿固定式基础此方案适用于水深超过30m的条件。较单桩固定式更为坚固和多用，但其成本较高，移动性 也不好。与单桩固定式一样，不适宜较软的海床。4.4混凝土重力固定式基础这是海上风电场采用的第一种基础结构，它主要是靠

10、体积庞大的混凝土块的重力来固定风机 的位置。这种方案使用方便，而且适用于各种海床土质，但是由于它重量大，搬运的费用较 高。4.5钢制重力固定式基础与混凝土重力固定式一样，它也是靠自身重力固定风机位置的，但钢制的重量仅有80110 吨，从而使安装和运输更为简单。当把钢制基座固定之后，向其内部填充重矿石以增加重量 （一般为1000吨左右）。虽然此方案也适用于所有海床土质，但其抗腐蚀性较差，需要长期 保护。4.6桶式基础这种基础是将其放置在海床上之后，抽空内部的海水，靠周围海水所产生压力将其固定在海 床上。此种基础大大节省了钢材用量和海上施工时间，降低了生产、运输和安装成本，同时 拆除基础也很方便。

11、5海上风电场吊装方法离岸风机的安装相对于岸上安装难度颇高，可通过千斤顶驳船或者浮吊船完成。其中的选择 取决于海水深度、起吊机的能力和驳船的载重量。起吊机应具备提升风机主要部件（塔架、 机舱、叶轮等）的能力，其吊钩提升高度应大于机舱的尺寸，确保塔架和风机装配件的安装。 现有的浮吊船大多不是特意为海上风电场的风机安装而设计制造的。对于大型海上风电场（机组超过50台），通过使用安装驳船来控制建设周期（即控制成本），完成建设任务。具 体包括：5.1千斤顶安装5.1.1千斤顶安装以千斤顶吊装塔架、机舱和叶轮是最先出现的海上风电场吊装方法。千斤顶可 为安装工作提供一个稳定的基座，因此它也是打桩工程的首选。

12、然而，其缺乏内 在稳定性和机动性使塔架的安装较为困难5.2半沉式安装5.2.1半沉式安装对于执行海上建设工作，半沉式起吊船是漂浮平台中最稳定的一种。现有的驳船 设计仅适用于较远的海上作业，而在浅滩地区较难发挥作用。5.3载运船，平底驳船，地面起吊机5.3.1载运船，平底驳船，地面起吊机载运船和平底驳船在建设作业中的稳定性不够理想，较易受天气状况的影响。而地面起吊机，只要天气良好，便可显示出其旋转起吊机和费用低廉这来两项优 势。5.4漂浮式安装5.4.1漂浮式安装所谓漂浮式安装，就是先将塔架在码头上垂直吊起，再将其下放至待安装的模拟 桩基上，用钉子固定，然后垂直安置于驳船上准备运送。等到涨潮时，

13、排放压舱 水使塔架与模拟桩基分开，一旦达到安全水深，驳船即引入压舱水作牵引之用， 到达安装现场后，驳船再次排放压舱水，安全固定于海上风电场的桩基上。然后 再次引入压舱水使驳船下沉，在桩基上调转塔架的支撑件，最后撤出驳船完成海 上安装工作。6各国海上风电发展计划6.1德国在海上风电场的建设方面，德国的规划可谓气势宏伟，累计安装容量排名第一。 根据德国政府2002年公布的战略纲要，2006年安装的海上风机容量至少在 500MW，2010年安装量将增至3000MW，2030年的长期目标中，包括德国海岸地 区、专属经济区（EEZ）和国土外围12英里范围内安装容量将达到25000MW，产 生7085TW

14、h的电力，达到1998年电力需求的15%6。由于缺乏合适的场地，德国陆上风电场的兴建工作将在今后十多年中减缓，从而 转向海上风电场的建设。目前已经在12英里开外的深水地区，以及近海地区都 建造了海上风电场，如Borkum和Butendiek风电场。2005年12月，德国通过 了一项400MW的海上风电项目，该项目位于北海，是德国迄今通过的第十个海上 风电项目。6.2丹麦作为全球风电行业的先驱和领袖，丹麦拥有全球市场份额逾1/3的风机制造商 Vestas，其2003年风力发电量占全国总发电量的18%。2003年末，160MW的Nysted 大型海上风电场首期工程宣告竣工，同时Horns Rev海

15、上风电场扩张工程也已经 排上日程，此外还有3座大型海上风电场(L&s6、Om0 Stalgrunde和Gedser Rev)仍在建设当中。预计到2030年，风力发电量将占该国总发电量的50%。6.3美国美国海上风海上风电健康发展。作为美国首座海上风电场，位于美国电的发展目 标首先锁定在浅滩，然后再发展至深水区域，其主要采用单机容量为5MW以上的 风机。目前正在研制深水技术，在技术进步的同时，也将注重成本的控制，确保 东北部鳕鱼岬(Cape Cod)的鳕鱼岬海上风电场(Cape Wind)现已建设完毕， 该风电场由170个变桨距上风向的三叶式风力发电机组成，总装机容量达到 454MW，相应所需的

16、风速在14m/s至25m/s，在平均风速19m/s的情况下，传输 到电网上的发电量达1.5GW9；此外，皇后区西北面的长岛电力局(the Long Island Power Authority, LIPA)也已经提出开发装机容量为140MW海上风电场 的计划。6.4其他国家近些年，欧洲地区的其他国家在海上风电事业上也得到了迅速发展。荷兰政府目 标在2010年总装机容量达到1500MW，首批建成两个近海风电场(Noordzeewind 和 Egmond)；比利时的 Zephyr Consortium和 C-Power 正在 Thornton Bank 附近 进行一项离岸30公里的海上风电场；瑞典目前有11座海上风电场正在规划中， 预计到2008年将建成15座海上风电场;爱尔兰海上风电场的领路者Arklow bank 风电场已经达到25MW的装机容量，并将扩至500MW，同时在爱尔兰的东海岸正 在拟定建设另外6座海上风电场，总装机容量为1000MW；法国由于其沿海地区 海浪和潮汐条件恶劣，建造海上风电场挑战性较大，但其拟建总容量也达到 778MW.结论本文从海上风电的发展历程、现状、远景、以及基础的结构与安装等方面详细阐 述了目前海上风电的发展情况，并介