海上漂浮式风力机研究进展及发展趋势

张 亮 ，吴海涛 ，荆丰梅 ，崔 琳

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院海洋可再生能源研究所，黑龙江 哈尔滨 150001；2.国家海洋局海洋技术中心，天津 300112）

海上漂浮式风力机研究进展及发展趋势

张 亮1，吴海涛1，荆丰梅1，崔 琳2

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院海洋可再生能源研究所，黑龙江 哈尔滨 150001；2.国家海洋局海洋技术中心，天津 300112）

介绍海上漂浮式风力机概念及其发展，列出了浮式结构的分类以及所面临的挑战，重点论述了目前世界上漂浮式风力机研究现状，给出了目前漂浮式风力机的发展趋势，并对其在我国的适用性做了简要分析。

风力发电；海上漂浮式风力机；结构型式；运动响应；发展趋势

引言

由于化石能源的逐渐消耗，能源和环境污染问题日益突出。风能由于其清洁可再生、利用方便成为目前最有开发利用前景的一种可再生能源。海上风能由于其资源丰富，视觉污染和噪音污染较陆地风能小，近年来发展迅速。世界风能协会统计[1]，至2009年底，全球海上风力机装机容量已达到1 956 MW，占陆海总装机容量的1.2%，2009年新增454 MW，增长量30%。

按水深划分，海上风能的利用可分为浅水区域、过渡水域和深水区域。对于不同的水深，风机基础的形式也不同。现在的固定式风力机技术被限制在水深30 m的区域，虽然这一深度有可能增加，但是对于深水区域（＞60 m），固定式风力机已经无法满足经济性要求，需要一种新的海上风力机，漂浮式风力机可能是这一区域最适合的选择。

1 海上漂浮式风力机概念及其发展

海上漂浮式风力机总体由风涡轮机、塔架、浮式基础和锚泊系统构成，这一概念最早由美国麻省理工大学的Heronemus教授在1972年提出[2]。但是由于技术和成本的限制，直到20世纪90年代，当风能工业发展成熟之后，这一概念才被重新提起并研究。

图1 SWAY，HYWIND，WindSea，Blue H 和 WindFloat

1991年，英国的贸易工业部首先开展了漂浮式风力机的项目研究并开发出了一种Spar式的海上漂浮式风力机FLOAT[3]。随后，W.S.Atkins咨询公司联合伦敦大学学院和荷兰能源研究基金共同设计了一种多单位漂浮式风场[4]。此后，很多国家也都开始了海上漂浮式风力机方面的研究并设计出了多种漂浮式风力机系统。2001年，挪威sway公司设计了一种SWAY的深水Spar式漂浮式风力机概念SWAY，并计划于2011年建成样机。挪威Hydro Oil&Energy公司设计了一种Spar漂浮式风力机概念HYWIND，并于2009年9月份在挪威海域安装了1台2.3 MW的样机示范运行。2006年，Force Technology公司设计了一种装有3台风力机的漂浮式风力机系统WindSea并计划在2011年建成一台样机。2008年夏，Blue H公司建造了世界上第一台80 kW海上漂浮式风力机样机，在意大利东南部海域进行测试运行。2008年，由美国Principle公司设计了一种称之为WinFloat的漂漂浮式风力机系统。

Henderson等人[5]通过研究，开发出了三浮体的漂浮式风力机。其系统性能突出，现在已经成为一种被广泛研究的型式（图2-1）。美国国家可再生能源实验室（NREL）开发了浅水泊船式（图 2-2）、双排锚线 Spar式（图 2-3）、张力腿式（图2-4）以及带重力锚的张力腿式漂浮式基础（图2-5），并作了相应的研究。

图2 各种形式的海上漂浮式风力机

图3 多风机的漂浮式风场

此外，还有航行式多风机漂浮式基础[6]（图3左）等其他几种不同的型式。

2 海上漂浮式风力机结构型式及主要挑战

海上漂浮式风力机基础类型多种多样，按平台获得稳定性的方式划分[7]，可以将其划分为3类：

（1）压载：平台通过在中间浮体下部的压载来提供稳定性。此时，重心低于浮心，压载会对纵摇和横摇提供一个扶正力矩和惯性阻力，也可以提供足够的吃水来抵消垂荡运动。例如Spar式的平台即为这种型式。

（2）锚泊线：平台通过锚泊线张力来达到稳性要求。张力腿平台（TLP）即是这种型式的平台。

（3）浮力：平台通过分布式浮力，利用较大的水线面面积提供恢复力矩来达到稳性要求。泊船式的平台即属于这种型式。

考虑到性能和成本之间的平衡，现实中平台类型多为混合式，即通过多种方式提供稳定性。如Blue H公司的浮式风力机平台（图1右2），它既有较大的水线面面积，又靠张力腿式的锚泊系统提供稳性。由于各个国家的具体情况不同，可以说，海上漂浮式风力机并没有最好的型式，只有最适合的型式。

海上漂浮式风力机是一个新兴的事物，其设计和研究还处于起步阶段，但经过研究者的一系列研究，海上风力机的挑战大致可以总结为以下几个方面：

（1)风力机的设计。与固定式风力机不同，漂浮式风力机浮式基础在海洋环境载荷作用下有一定的六自由度运动。风力机位于距海面近百米的高空，漂浮式基础的微幅运动即可造成风力机的剧烈运动，这对风力机叶片、传动系统、控制系统等部件的设计都提出了很高的要求。

（2)浮式基础的设计规范。海上油气平台的相关规范主要考虑的只有波浪载荷，而浮式风力机需要考虑风载荷与波浪载荷的耦合作用。虽然DNV和GL船级社有关海上风力机的规范中提到了漂浮式风力机，但是并没有详细的规定。因此，目前还缺乏浮式基础的设计标准和指导，现在的研究主要基于海上油气平台的相关规范并靠设计者的经验来进行。

（3)分析工具的缺乏。目前只有固定式风力机和海上油气平台载荷和运动的计算工具，缺乏能够准确快速计算浮式风力机和浮式基础载荷和耦合运动的分析工具。

（4)成本控制。对于固定式海上风力机来说，成本比例较大的部分有风力机 （33%）、支撑结构 （24%）、运行和维护（23%）以及电网连接（15%）。对于漂浮式风力机来说，由于还未建成实际的风场，成本比例未有具体数据，但是可以以固定式风力机的成本为参考，努力减少各个阶段的成本消耗以提高浮式风力机的经济性。对于支撑结构来说，需要减少其建造成本，减少海上作业时间，尽量在码头与风力机组装后拖航至安装地点；对于运行和维护，需要开发出适合漂浮式风力机的工作系统。

3 海上漂浮式风机研究及技术进展

3.1 浮式风力机组的性能与载荷研究

在漂浮式风机的研究的起步阶段，对于风力机的载荷一般都是简化计算。即将风机简化为一个迎风面，作为一种上层建筑，根据海洋工程规范计算其整体载荷。但是这种方法无法准确计算风力机载荷也无法计算叶片强度等。近几年，随着研究的深入，研究者们通过对固定式风力机空气动力学理论的修正，逐步开发了适合漂浮式风力机的计算方法。

Suzuki等人[8]采用动量叶素理论，通过推力系数等修正和条件简化，编写计算程序计算了由于海上漂浮式基础运动而引起的风力机载荷，通过与实验对比得到了较准确的结果。他们计算了考虑漂浮式基础运动时的风机叶片内部载荷，研究了漂浮式基础纵荡、纵摇和垂荡运动对风机叶片强度的影响。研究表明，漂浮式基础的运动对风力机的结构强度和疲劳有很大的影响，只有将漂浮式基础的运动限制在1°～2°范围内才可以将陆上风机进行较小的优化应用到漂浮式基础上。AeroDyn是基于动量叶素理论和广义动态尾迹模型编写的风力机空气动力学的程序，现在这一程序被MIT和NREL用来作为计算海上漂浮式风机系统耦合运动的一部分。Knauer等人[9]利用空气-弹性力学程序FLEX5计算了1.5 MW和5 MW的变转速变攻角风力机的螺旋桨性能和吊舱运动的影响，模拟结果显示：在高推力范围内，转子可能会出现动态失稳。丹麦里瑟国家实验室也开发了一种可以计算漂浮式风力机空气动力学的计算程序HAWC2，并被较多地应用。

Bir等人[10]研究表明，虽然陆上和海上风机在正常运行情况下都非常稳定。但是，在特定的停转（空载）情况下，风机叶片可能会出现失稳，尤其是艏摇状态下尤为明显。而且在转子慢转向的情况下，特定的偏航设置可能会使得失稳恶化。特定的转子方位角和吊舱偏航位置的组合也会使失稳情况恶化。

3.2 漂浮式基础研究

与海洋采油平台不同，漂浮式基础上部载有一个巨大的风力机。一方面，高耸的风力机使系统的重心大大提高，导致系统很难满足稳性标准；另一方面，在系统正常工作状态下，漂浮式基础除了承受一般的海洋环境载荷外，还要受到来自风力机的巨大推力和倾覆力矩。因此，在保证经济性的前提下，设计出稳性较好的漂浮式基础，以及如何准确计算系统响应成为研究的重点。

3.2.1 Spar式漂浮式基础

GH公司以Spar式漂浮式基础FLOAT为研究对象[3]，进行了频域和时域的数值分析以及模型试验。研究发现，风机载荷受浮体波浪载荷影响较小；由于惯性效应，塔架载荷对浮体波浪载荷较为敏感；浮体纵摇引起的回转摇艏载荷并不重要；浮体的垂荡可导致低频的横摇运动。

文献[11-13]以Spar式漂浮式基础HYWIND为研究对象，将固定式风力机气动弹性的程序HAWC2和海洋工程结构动态响应程序SIMO/RIFLEX（SIMO计算海上漂浮式结构水动力响应；RIFLEX计算锚泊系统静/动态响应）集成后，模拟了漂浮式基础结构在各种风浪组合荷载情况下的时域响应，并通过模型试验验证了其准确性。研究发现，在高于额定风速下，传统的叶片桨距控制策略将对漂浮式基础产生负阻尼效应使系统性能恶化，同时大大减小了漂浮式风机的疲劳寿命并使塔架产生低频振动；必须应用新的控制策略，才可以避免塔架振动，增加风力机的疲劳寿命。

文献[14]对3种型式的Spar式漂浮式基础进行了规则波和不规则波条件下的数值模拟和模型试验。结果表明，使用莫里森方程可以准确地预测浮式基础在规则波环境下的运动响应，而对不规则波条件下的响应预测却不理想；简单Spar浮体的垂荡响应幅值太大；锚线系泊位置靠上时可以改善浮体的纵摇响应；水线面较小的阶梯型Spar的垂荡和纵摇响应较小，更适合作为风力机的漂浮式基础。

3.2.2 张力腿式漂浮式基础

文献[15]对NREL的张力腿基础进行二维建模，利用基于有限元法的HAWC程序计算风力机的结构动力，利用莫里森方程计算浮体的水动力，计算了系统的时域响应。研究发现，在不规则波环境下，风力机的固有频率是导致结构剧烈共振的主要原因，漂浮式基础的运动将使风力机入射风速往复变化从而导致输出功率有较大波动。由于这一模型过于简化，无法计算风力机的气动阻尼，只能利用轮毂与塔顶之间的剪力幅值拟合气动阻尼系数。

文献[16]以NREL张力腿漂浮式基础为研究对象，利用WAMIT计算浮体的水动力，利用有限元方法计算锚泊系统的强度，对风力机、浮体和锚泊系统的耦合运动进行了频/时域分析。研究发现，转子-浮体间的耦合效应随叶片的增大而增加。转子运动会导致浮体在垂直于风向的高频振动。随着叶片半径（或风速）的增加，高频激励会使锚线的有效张力显著增加，锚线的疲劳寿命也会大大缩短。

3.2.3 三浮体式漂浮式基础

文献[17]采用一个基于墨西哥湾的暴风模型的付利叶谱作为环境条件，分析了一个具有3个风力机的三浮体式漂浮式基础的结构及水动力动力响应。将风机简化为一个具有固定阻力系数的迎风面计算其风载荷，用WAMIT计算波浪力，建立了浮体和锚链的耦合运动模型，在时域范围内预报了系统的六自由度运动、环境载荷和锚链张力载荷。研究发现，在墨西哥湾25 a一遇的海况下，该漂浮式基础的纵荡位移为水深的1%，最大纵摇角度10°，最大锚线张力小于极限张力的1/2。由于该模型简化了风力机载荷，也缺乏实验数据验证，可能无法准确地预报系统运动性能。

文献[18-20]设计了三浮体漂浮式风力机WindFloat的参数，并计算了其流体结构动力。通过引进风力机载荷计算程序改进了文献[18]的风力机载荷计算方法，建立了一种新的耦合运动模型，计算了漂浮式基础的幅频响应算子RAO并通过模型试验验证了数值模拟的准确性。计算了浮体的时域运动响应和风力机由于基础运动而产生的功率输出变化。研究发现，风的存在与否对漂浮式基础的纵荡和横荡影响不明显，但对纵摇有一定影响。

3.2.4 多机组大型浮式基础

Henderson等人[21]以多单位漂浮式风场为研究对象，利用莫里森方程计算了浮式基础在频域范围的波浪力，并依据得到的波浪载荷做了相应的结构载荷分析；利用简单的风力机模型计算了叶片气动载荷，并对疲劳强度做了简化分析；通过对浮式基础的优化设计，开发出了一种风力机分布的拓扑方案。同时，对浮式风场做了成本评估。然而，文献[4]的结果显示，这一概念虽然技术可行，但是经济性无法满足。

Manab等人[6]为了实现高效和高输出的目的，设计了载有很多风机的大型航行式浮式结构（图3左）。文中使用计算超大型浮式结构动力分析程序计算了这一大型结构中部横向梁的应力RAO。计算结果显示，壳体结构的破坏系数小于1.0，疲劳寿命大于100 a。

文献[22-23]针对载有3个风力机的大型浮式基础（图3右）进行了模型试验和数值模拟。通过模型在具有风洞的水池的试验，验证了这一结构型式的可行性。在考虑考虑系统弹性的情况下，利用莫里森方程计算拖曳力和惯性力，准静态方法计算风力机的气动载荷，通过有限元程序对这一型式的风力机进行了数值模拟。研究结果显示，莫里森方程可以较好地预报系统的运动，风力机与浮体的耦合运动会提高系统的运动性能，弹性变形对浮体的水动力响应有很大的影响。

4 海上漂浮式风力机发展趋势

海上漂浮式风力机发展分为两个方向，即承载单个风力机的漂浮式风力机和承载多个风力机的漂浮式风场。为了消除尾流的影响，风力机间的间距近百米，承载多个风力机的大型漂浮式基础建造成本可能过高，因此目前主要研究和发展趋势为单个风力机的漂浮式风力机。

水深在100 m以内的水域，单个风力机的漂浮式风力机一般选用具有较大水线面的浮式结构，这种型式吃水浅，自身稳性好，可以在码头组装拖航至安装地点，安装成本较低；大于100 m的水域，一般选用小水线面的结构型式，这种型式所受波浪力较小，有利于减小系统运动。

5 海上漂浮式风力机在我国的适用性

据世界风能理事会的统计，全球的风力发电产业正以惊人的速度增长，过去10 a装机平均年增长率达28%，而中国的增长率高达46%，全球风电资金中9%投向了中国。我国拥有广阔的海上专属经济区，面积约为300万km2，我国海上风能储量世界第一[24]，高于美国和日本。

我国已建成了东海大桥海上风电场，计划建设的近海浅水区域风电场也有10多个。除渤海外，我国的黄海、东海和南海平均水深都在40 m以上，浅水区域有限，非常适合漂浮式风力机系统的开发。

6 结语

目前，海上风电产业快速发展，海上风电向深水和大功率的发展趋势已成必然。国外在这一领域已经进行了相当多的研究，我国应当尽早着手这一领域的研究，开发出适合我国的漂浮式风力机型式。

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Study on Offshore Floating Wind Turbine and Its Development

ZHANG Liang1,WU Hai-tao1,JING Feng-mei1,CUI Lin2
（1.Institute of Ocean Renewable Energy System,College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin Heilongjiang 150001,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The offshore floating wind turbine and its development are introduced and the classification of the floating structure and the existing challenges is summarized.The study on offshore wind turbine is analyzed in detail.The developing trend of offshore floating wind turbine is given.The feasibility of offshore floating wind turbine in China is briefly discussed finally.

wind energy generating;offshore floating wind turbine;shape of structure;motion response； developing trend

P752,TK89

C

1003-2029（2010）04-0122-05

2010-01-28

国家自然科学基金项目：海上浮式风力机平台及耦合运动研究（50979020）

张亮（1959-），男，内蒙古，教授，博士，主要研究船舶水动力学、计算流体力学和海洋能研究与利用技术。Email:ZhangLiang@hrbeu.edu.cn