海上风电参考 | 我国漂浮式风电发展现状

导读

漂浮式风电的概念从诞生以来，经历了几十年的发展，技术逐渐趋于成熟，现已逐步在全世界范围内得到研究和应用。今天我们首先盘点一下全球漂浮式风电项目，再重点梳理一下我国漂浮式风电的发展现状。

世界漂浮式风电发展情况

目前，世界范围内有多个不同型式的漂浮式风电项目，分别处于不同的阶段。表1统计了截至2019年建成、在建、规划的全世界范围内主要的漂浮式风电项目（除中国大陆区域以及部分处于萌芽阶段的项目，如多能互补风电方案等）。

表1 全球漂浮式风电项目汇总

注：标绿为已建成项目。

对表1进行统计分析，见图1~图4，可得出以下结论：

• 漂浮式风电项目（漂浮式基础+样机）在2016年后逐渐由样机走向了小批量，在2020~2025年装机量明显增多，说明漂浮式风电在技术上已趋于成熟，越来越多的国家开始重视对深水风资源的开发。

• 小批量项目漂浮式风电基础型式主要还是选用经过测试验证的方案，其中半潜型基础所占的比例最大，说明在当前水深条件下，半潜式方案在综合性能方面具有优势。

• 当前项目系泊方案主要是以悬连线式方案为主，只有几个水深浅的项目采用半张紧或张紧式系泊，说明悬连线式系泊在施工和成本上还是具有较大的优势。

• 漂浮式风电机组机型选择上，西门子和维斯塔斯风电机组占有优势，基本与海上固定式风电机组的市场占有率一致，说明海上风电机组市场的集中趋势在加剧。

图1 漂浮式风电装机量统计图

图2 不同基础型式占比

图3 不同系泊方案占比

图4 不同风电机组整机厂家占比

我国典型漂浮式风电基础

我国漂浮式风电的研究起步相对较晚，国家863计划在2013年启动了漂浮式风电项目研发，分别支持了两个项目：

一是由湘电风能牵头开展的钢筯混凝土结构浮式基础研制，旨在完成3MW海上风力发电机组一体化载荷分析和机组优化设计。

二是由金风科技牵头开展的漂浮式海上风电基础关键技术研究及应用示范，主要针对金风6MW机组提出了半潜式平台方案，并完成了载荷分析、水池试验研究工作。

两个项目的概念设计方案见图5~图6所示。由于当时漂浮式风电基础技术成熟度不高，风险性较大，这两个项目最后未进入工程示范的阶段，但为我国漂浮式风电的研发奠定了基础，培养了人才。

图5 湘电混凝土半潜式基础

图6 金风半潜式基础

随着国家政策对海上风电的利好，十三五期间国内对漂浮式风电技术研究热度逐渐提高起来，并有了示范工程项目，表2给出了目前国内规划的漂浮式海上风电项目。

表2 国内规划的漂浮式海上风电项目

千尧科技对这几个正在推进的项目进行了跟踪，梳理了相关情况，在此与大家交流讨论。

1绿能示范项目

2016年由绿能公司牵头，启动中国首个深远海漂浮式风电重大示范项目，涉及项目可行性、资源勘查、基础设计、施工装备，电力传输系统和机组开发与运维等关键技术。项目团队由绿能公司、上勘院、上海电力学院、上海电力设计院、同济大学、上海交通大学、中交三航局、上海电气、华锐风电九方联合体组成，基本涵盖了漂浮式风电技术所涉及的主要专业。

项目以东海某海域环境条件为设计输入，开展了张力腿和半潜式两种方案研究，在40米水深条件下还是具有一定的挑战，见图7~图8所示。张力腿方案增加了斜向拉锁，半潜方案是风电机组放在其中一个立柱上。目前仍处于方案探索阶段，最后落地示范项目方案可能会存在差别。绿能示范项目从目前来看没有要争安装第一台漂浮式风电机组的态势，但由于其规划的容量是25MW，如果项目真正启动，倒是有可能成为第一个漂浮式风电示范风场。

图7 上海电气3.6MW张力腿方案

图8 华锐6MW半潜式方案

鉴于该项目的水深在40m左右，千尧科技认为采用半潜式方案更为合理，张力腿型式方案在基础的水平偏移限制、张力筋材料设计方面存在难度。需在基础型式上有所突破，例如可参考图9~图11基于张力腿原理的设计方案。

图9 TetraFloat张力腿漂浮式风电基础方案

图10 TetraSpar张力腿漂浮式风电基础方案

图11 Tension Leg Buoy张力腿漂浮式风电基础方案

2三峡阳江示范项目

2018年，由三峡集团珠江公司牵头，华南理工、明阳智能参与，启动一台单机容量不小于3MW的漂浮式试验样机研究，计划于2021年完成。该项目选址初步定在阳江某海域，但水深较浅，不到40m。从目前项目的宣传来看，漂浮式风电基础基本锁定半潜式，系泊方案为半张紧或张紧式系泊，见图12~图13所示。根据介绍，对于该项目他们已经走通了一体化设计，接下来将进行结构优化设计。

图12 三峡阳江示范项目半潜式方案（方案一）

图13 三峡阳江示范项目半潜式方案（方案二）

方案一图示应力云图红色的位置应是该方案结构的弱点。方案二与绿能项目趋同，原因是两者水深差不多，搭载的风电机组功率相近。由于水深较浅，宜采用半张紧或者张紧式系泊，同时需重点关注基础运动响应和机组载荷。

3海装工信部示范项目

2018年底，由中国海装牵头申请的工信部漂浮式项目得到批复，该项目涉及海上漂浮式风电装备总体设计、系泊系统设计、制造与调试等，需按照要求完成大功率海上浮式风电装备研制，并实现海上浮式风电装备的工程示范研究。据悉该项目参研单位主要包括中船重工下属研究所和船舶装备单位、CCS和哈工程。该项目示范场址初步选在湛江某海域，水深在60m左右，对漂浮式风电基础来说相对有利，该项目同样是采用半潜式海上漂浮式风电基础，概念设计方案见图14~图15所示。

图14 海装工信部项目，半潜式方案（方案一）

图15 海装工信部项目，半潜式方案（方案二）

两方案分属中船重工702所和民船中心，可看出对Windfloat和DeepCwind漂浮式风电基础的参考。根据千尧科技的理解，方案一总体响应没问题，从浮箱的型式特点看，在波浪弯矩下结构强度应予以关注；方案二结构上应问题不大，但用钢量相对大一些。两方案采用同样的系泊方案，性能优劣待验证。两方案在施工安装上采用同一思路，后期如何开展机组载荷优化和项目推进工作，需拭目以待。

4龙源南日岛项目

龙源南日岛固定式项目在2017年开工建设，由于福建地区岩石地质，采用嵌岩桩基础成本也较高。尤其是随着水深的增加，嵌岩施工难度也逐渐加大，因此南日岛预留机位拟采用漂浮式风电技术。南日岛的项目在2020年出人意料地进展神速，在推进中省去很多审批流程，直接进入了方案设计阶段。根据当地政府和业主要求，设计方案需兼顾风渔结合。该项目目前参与单位主要包括龙源电力、华东院、烟台来福士、上海电气等。项目采用的漂浮式海上风电基础概念方案见图16~图17。

图16 龙源南日岛项目：半潜式方案（方案一）

图17 龙源南日岛项目：半潜式方案（方案二）

方案一中规中矩，不作展开。方案二应是兼顾考虑养鱼噪音的问题，采用桁架式网箱设计，整体构件尺寸较小，加之拟采用4MW风电机组，受到的整体载荷应不大。

该项目采用西门子4MW成熟机型，西门子风电机组已具备漂浮式风电项目的安装经验，机组优化研发将开展迅速。

总结与展望

最后总结目前我国漂浮式风电开发中出现的问题和挑战：

• 我国目前从事漂浮式风电的研究还在起步阶段，对漂浮式风电基础理论研究投入较少，如耦合分析方法、仿真工具、水池试验技术、规范适应性等，还有较长的一段路要走。

• 国内漂浮式风电技术研发中，电力系统设计单位与海洋工程设计单位之间的尚存在一定的沟壑，需探索建立一个行之有效的沟通合作的桥梁。

• 国内示范项目规划周期较短，存在前期准备不充分，可能导致返工甚至影响项目效果。项目论证先期应提前规划，避免急于求成。

• 国内漂浮式风电设计创新性不足，建议相关企业参考PPI从MIT引进WindFloat方案的案例，购买高校的科研成果转化为自己的知识产权。

撰稿 | 沧海一粟

来源：千尧科技

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