海上风力发电技术综述

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1、海上风力发电技术综述　　1概况　　风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。欧美海上风电场已处于大规模开发的前夕。我国东部沿海水深50m以内的海域面积辽阔，而且距离电力负荷中心（沿海经济发达电力紧缺区）很近，随着海上风电场技术的发展成熟，风电必将会成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源来源。　　海上风电场的风速高于陆地风电场的风

2、速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高，综合来看，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。　　海上风电场的发电成本与经济规模有关，包括海上风机的单机容量和每个风电场机组的台数。铺设150MW海上风电场用的海底电缆与100MW的差不多，机组的大规模生产和采用钢结构基础可降低成本。目前海上风电场的最佳规模为120～150MW。在海上风电场的总投资中，风电机组占51%、基础16%、电气接入系统19%、其他14%。丹麦电力公司对海上风电场发电成本的研究表明，用国际能源局（IEA）标准方法，按目前的技术水平和

3、20年设计寿命计算，估测的发电成本是0.36丹麦克朗(人民币0.42元或0.05美元)/kWh。如果寿命按25年计算，还可减少9%。　　海上风电场的开发主要集中在欧美地区，其发展大致可分为5个不同时期：①1977～1988年，欧洲对国家级海上风电场的资源和技术进行研究；②1990～1998年，进行欧洲级海上风电场研究，并开始实施第1批示范计划；③1991～1998年，开发中型海上风电场；④1999～2005年，开发大型海上风电场和研制大型风力机；⑤2005年以后，开发大型风力机海上风电场。2海上风环境　一般

4、说来海上年平均风速明显大于陆地，研究表明，离岸10km的海上风速比岸上高25%以上。21风速剖面图　　海面的粗糙度要较陆地小的多，因此风速在海平面随高度变化增加很快，通常在安装风机所关注的高度上，风速变化梯度已经很小了。因此通过增加塔高的方法增加风能的捕获在某种程度上不如陆地有效。由于海上风边界层低，所以海面上塔高可以降低。陆地与海上风速剖面比较如图1所示。图1陆地、海上风速剖面图比较22风湍流特性　　湍流度描述的是风速相对于其平均值的瞬时变化情况，可以表示为风速的标准偏差除以一段时间（通常10min）

5、风速的平均值。自由风湍流特性对风机的疲劳载荷大小影响很大。由于海上大气湍流度较陆地低，所以风机转动产生的扰动恢复慢，下游风机与上游风机需要较大的间隔距离，即海上风场效应较大。通常岸上湍流度为10%，海上为8%。海上风湍流度开始时随风速增加而降低，随后由于风速增大、海浪增高导致其逐步增加，如图2所示。除此之外，湍流度还随高度增加而几乎呈线性下降趋势，如图3所示。图2海上风速与湍流度关系图3海面上高度与湍流度关系23水深与海浪　　水深和海浪是影响海上风电场发展的2个重要自然因素。水深不仅直接影响塔基尺寸和质量

6、，而且影响海浪产生载荷。海浪随水深而增高，水深同时使海面到塔基的塔杆增加，从而导致塔基受到很大的翻滚力矩。国外研究表明，浪高随风速增加基本呈线性增加，当风速大于20m/s后，海浪达到极限值大约为4m，这是因为较浅的水深限制的缘故，浪高的极限值受水深的制约而不是风速。3海上风力发电技术31风机支撑技术　　海上风机的支撑技术主要有底部固定式支撑和悬浮式支撑2类。311底部固定式支撑　　底部固定式支撑有重力沉箱基础、单桩基础、三脚架基础3种方式。如图4所示。(1）重力沉箱基础。重力沉箱主要依靠沉箱自身质量使

7、风机矗立在海面上。Vindeby和TunoeKnob海上风电场基础就采用了这种传统技术。在风场附近的码头用钢筋混凝土将沉箱基础建起来，然后使其漂到安装位置，并用沙砾装满以获得必要的质量，继而将其沉入海底。海面上基础呈圆锥形，可以起到减少海上浮冰碰撞的作用。Vindeby和TunoeKnob风电场的水深变化范围在2.5～7.5m之间，每个混凝土基础的平均质量为1050t。该技术进一步发展，用圆柱钢管取代了钢筋混凝土，将其嵌入到海床的扁钢箱里。该技术适用于水深小于10m的浅海地区。(2）单桩基础。单桩基础由一个

8、直径在3～4.5m之间的钢桩构成。钢桩安装在海床下18～25m的地方，其深度由海床地面的类型决定。单桩基础有力地将风塔伸到水下及海床内。这种基础的一大优点是不需整理海床。但是，它需要防止海流对海床的冲刷，而且不适用于海床内有巨石的位置。该技术应用范围水深小于25m。(3）三脚架基础。三脚架基础吸取了海上油气工业中的一些经验，采用了质量轻、价格低的三脚钢套管。风塔下面的钢桩分布着一些钢架，这些钢架承担和传递来自塔身