日本漂浮式风电技术现状及未来发展方向

伍绍博，尹海卿，张开华，时蓓玲

（中交第三航务工程局有限公司，上海200032）

日本漂浮式风电技术现状及未来发展方向

伍绍博，尹海卿，张开华，时蓓玲

（中交第三航务工程局有限公司，上海200032）

漂浮式风电是未来海上离岸风电的重点发展方向。日本海域面积大，风资源丰富，漂浮式风电起步较早，受福岛核电站爆炸事故影响，日本决意弃核，转而大力发展漂浮式风电，目前已建成多座漂浮式风机的样机并投入运行，取得了良好的经济效益。文章对日本漂浮式风电的发展概况、目前已实施的重点项目及其创新技术和未来的发展方向进行论述。日本在漂浮式风电的研究、设计、施工走在了世界前列，其技术可为我国漂浮式风电发展提供良好的参考借鉴作用。

漂浮式风电；浮式升压站；下风向风机；液压风机

0 引言

日本拥有全球第六大海域面积，是风资源非常丰富的国家，根据日本官方测算，日本的风能储量为1 880 GW，其中，280 GW为陆上风电，余下1 600 GW全部在水深大于100 m的海上（图1），这部分风机必须全部采用漂浮式。

按目前技术水平，日本的1 600 GW的离岸风资源中，378 GW是技术上可行的，如果考虑电网的需求和能力等限制因素，有96 GW是商业和技术上都可行的。

图1 日本海上风力分布Fig.1Offshore wind force distribution in Japan

由于2011年福岛核电站爆炸事件，日本启动了弃核计划，旨在2040年全面关停日本的核电站。目前核电占日本供电量的30%（50座核电站，44.6 GW），该部分电量将全部由新的绿色能源替代。受益于弃核计划，按照日本官方制定的目标，到2050年，日本的离岸风电将达到37 GW，其中，19 GW为固定式风电，18 GW为漂浮式风电。具体的计划实施步骤如图2所示。

图2 日本海上风电实施计划Fig.2Plan of Japan offshore wind power

日本漂浮式风电研究已经开展近20 a，现已处在世界领先地位，本阶段，日本产业经济省已经累计完成了220亿日元的投资，以用于浮式风电的研究和试验，下一步计划投资310亿日元用于浮式风电研究，目的是达到1 GW的浮式风电装机容量。

1 日本漂浮式风电项目进展

按照项目的进程，日本漂浮式风电发展可分为3个阶段，分别为2011年的风镜（wind Lens）项目，2012年实施的樺岛（Kabashima Island）项目，2011年规划，2013年开始实施样机建设的福岛（Fukushima）一期、二期漂浮式风电项目。

2011年12月风镜项目由九州大学再生能源动力学部（Division of Renewable Energy Dynamics）实施，选址在福冈市博多港离岸600 m，该项目采用2个直径18 m，功率为3 kW的小型风机（还布置了多块太阳能电池板），浮式基础为小型的漂浮式浮筒、桁架组合结构，采用悬链线式系泊，样机测试时间为1 a，并未参与并网发电。

严格来说，风镜项目为科研性质的项目，其浮式基础结构和风机形式等均处于探索验证阶段。相比之下，樺岛项目和福岛一期、二期漂浮式风电的技术较为成熟，且均并网发电，以下将重点介绍分析。此外，日本三井物产集团和东京大学联合提出的5 MW张力腿式（TLP）风机概念也逐步成熟，下阶段可能开展样机建设，本文也将对此漂浮式风机概念进行分析。

1.1 樺岛（Kabashima Island）项目

樺岛项目为日本环境省资金支持的首个漂浮风机项目[1-2]，由户田建设、富士重工、九州大学、日本海上技术安全研究所联合体实施，浮式基础形式为立柱式（图3）。该项目从方案设计到风机安装历时2 a，2012年采用100 kW下风向风机，2013年安装2 MW风机。项目选址位于日本南部长崎县五岛列岛，当地水深近100 m，该风机的总体规模较挪威Hywind（同为立柱式漂浮风机）为小，但由于特殊的结构设计形式和安装方法，被认为是未来立柱式风机技术发展的一次重要探索。

图3 樺岛项目立柱式风机基础结构Fig.3Structure of Kabashima island FWT spar

该项目创新点如下：

1）采用立柱式基础，立柱上半部分采用钢结构，底部采用预应力混凝土结构作为配重。

2）在岸上实现风机的整体安装，并采用驳船运输至海上安装地点（全程风机倾倒置于驳船上），安装过程采用浮吊和安装导架辅助风机扶正（图4）。

图4 樺岛项目风机扶正Fig.4Installation of Kabashima FWT

3）风机的监控系统完备，其设计浪高8.4 m（50 a一遇），但刚运行不久即遭遇2012年第16号台风Sanba，台风浪高达9.5 m，风机的运动、结构受力数据得到完整的记录，为后续风机设计提供了宝贵的数据。

由于立柱式风机为压载稳定体系，故在类似项目Hywind中，挪威国家石油公司采用了钢结构制造风电基础，压载通过底部的压载水仓实现。日本在设计樺岛项目时另辟蹊径，通过预应力混凝土增加配重取代传统压载水仓。由于混凝土的浮容重较大，不需考虑内部腐蚀问题，无需压载控制系统，因此大幅降低了制造成本。但因为压载量不可调整，无法通过逐级控制压载实现风机自行在海中扶正，故制作了特殊的安装导架，采用浮吊辅助扶正。按照欧洲的经验，类似的立柱式风机一般都采用基础先行湿拖至现场，调整压载扶正后再在海上吊装塔筒和风机，作业窗口时间长，成本高昂。樺岛项目在岸上完成风机整体式拼装，海上扶正后直接拖航至现场安装的方法较为简易，且对环境条件要求较低，有效地控制了风险和成本。

1.2 福岛（Fukushima）漂浮式风电一期、二期项目

福岛风电项目由日本产业经济省出资，东京大学、三菱重工、日立、三井造船、清水建设、日本海事学会、丸红株事会社、新日铁等单位参与，基本集中了日本在海洋工程、机电工程、建设工程方面的专家和智库。

福岛未来项目分为两期[3-4]（详细内容见表1），第一期称为福岛先锋项目，目标是建设1座漂浮式风力发电平台、1座漂浮式升压站。一期的漂浮式风机为半潜式，风机为日立集团研制的2 MW下风向风机，漂浮式升压站为改进型立柱式。目前一期项目已经全部完成，据公开资料，一期漂浮式风电平台的有效发电时间比例高达88%，远高于欧盟提出的35%～45%标准，并高于挪威Hywind项目的50%。风机自2013年11月建成以来，遭遇多次台风，结构和系泊系统均为安全状态。

表1 日本福岛风电一期、二期情况Table1Fukushima FWT project phase I&phase II

福岛未来二期项目包括1台7 MW的V形半潜式风机和改进型立柱式风机。据已公开的资料，V形半潜式基础的设计理念为通过无支撑结构来提高整个平台的结构疲劳强度，同时减小海洋环境载荷。二期项目所采用的风机均为7 MW，为三菱重工研发，均为液压式，目前V形半潜式风机已经安装完成，改进型立柱式平台在设计制造过程中。

1.2.1 福岛未来一期项目（半潜式风机创新点）

1）采用四柱式，风机布置在平台的中心（图5），未采用与美国Windfloat半潜式风电平台类似的主动压载控制系统。

2）扩大基础下部结构体积（图6），并在底部周边安装制荡板区域（类似舭龙骨），把大量压载水置于下部，增加了结构的稳性，同时增大了垂荡、横摇阻尼。

图5 福岛一期风电项目风机整体拖航Fig.5Fukushima phase I FWT floating transportation

图6 福岛一期风电基础下部结构Fig.6Sub-Structure of Fukushima phase I FWT

3）采用下风向风机，减小叶片质量，提高发电效率。

4）电力线缆直接与浮式升压站相连。

1.2.2 福岛二期项目

福岛二期项目中已建成的半潜式风机基础采用V形平台，其创新点如下：

1）V形基础把横撑放在底部，兼做压载水仓，水线面小，有效降低了波浪影响，增加了垂荡阻尼（图7、图8）。

图7 福岛二期V形基础结构尺寸Fig.7Fukushima phase II FWT sub-structure size of shape V

图8 福岛二期V形基础拖航Fig.8Floating transportation of Fukushima phase II FWT sub-structure of shape V

2）V形布置有利于基础平台在码头侧的靠泊，便于风机安装和未来的维护。

3）采用了三菱重工7 MW（Sea Angle）液压式风机。

4）针对浮式风机锚链系统的极端荷载破坏和疲劳问题，新日铁住金集团开展了大量荷载和疲劳试验，对锚链的结构行为进行了三维数模分析。

5）解决了水下22 kV立式电缆（Riser Cable）的安装难题。

1.3 三井物产张力腿（TLP）风机项目

按照欧洲、美国现有的张力腿式漂浮风机项目（荷兰的Blue H、德国的GICON、美国的Pela-STAR、西班牙的TLPwind等），风机在海底的锚锭系统一般采用重力式、吸力锚、桩基础、大抓力锚等形式，这些基础都要在风机浮运至现场前预先安装，且在风机安装过程中，需要在现场将张力腿（Tendon）和基础进行连接。这对于大型设备、作业窗口、潜水作业、连接结构设计等提出了较高的要求，且经济性较差，安装精度控制难度大，施工风险高[5]。鉴于此，日本三井物产集团（Mitsui）提出采用风机-锚锭一体式系统，实现风机-锚锭海上整体拖航，锚锭系统下沉安装的方案，如图9、图10所示。

图9 Mitsui风机-锚锭系统分离Fig.9Separation of anchor system of Mitsui FWT

图10 Mitsui风机锚锭系统着床Fig.10Implantation of anchor system of Mitsui FWT

该风机总体排水量为602 0 t，压载量为1 000 t，张力腿的初始张力为2 080 t[6-7]，风机通过6根（3组）钢丝绳与底部混凝土基础连接，目前该型风机的各项水动力试验和计算工作已由东京大学完成。该型风机具有以下创新点：

1）采用风机-锚锭一体化设计理念，大幅简化张力腿风机的安装流程，降低对船机设备的依赖和作业窗口的限制。

2）采用重力式基础（混凝土），降低风机基础制造成本。

3）风机基础上的张力腿连接点位于浮筒顶端（水面以上），便于张力控制和后期运营维护。

4）浮筒和横撑大部分位于水下，受波浪、海流影响小。

由于目前该型风机仍处于试验阶段，尚存一些问题需在样机安装前解决，如重力式基础的地基处理、张力腿系统的安装过程控制等。

2 日本漂浮式风电发展方向

2.1 新形式漂浮式风机基础

日本在漂浮式风机基础的研制方面走在了世界前列，近年来，企业、高校、研究机构提出了许多独创的漂浮式风机基础[8-10]，表2对其中得到资金支持或已开展相关试验和分析的主要几个概念进行了介绍。

2.2 漂浮式风电场建设

漂浮式风电场选址一般位于开敞的外海，离岸距离远，水深大，在深水区建设升压站是风电项目的重要环节。目前，欧盟提出的离岸升压站设计方案均采用导管架平台结构。在福岛一期项目中，日本独创性地提出并设计建设了世界上首台浮式25 MVA，66 kV升压站。

表2 近年来日本提出的漂浮式风电概念Table 2The concept of FWT put forward by Japan in recent years

该升压站的设计方案为改进型立柱平台（Advanced Spar）。平台下部为大型混凝土块体，中部为浮箱，通过混凝土压载确保稳性（图11）。上部结构设有靠船平台，顶部为直升机平台和变电设备舱室（图12）。在塔柱上集成了海洋气象、运动、波浪、海流等一系列监控和通信装置。

图11 浮式升压站在干坞内预制Fig.11Floating substation prefabricated in the dry dock

图12 浮式升压站海上拖航Fig.12Offshore floating transportation of floating substation

浮式升压站设计建设过程中，日立集团设计了专用抗倾变压器单元，并在倾斜振动台上进行试验，古河电气工业集团研制水下高压电缆及接头，解决了浮动式平台输变电问题。

2.3 新一代风机

2.3.1 下风向风机

下风向风机有别于顺风向风机（图13），驱动叶片转动的风从机舱侧进入（图14）。日立集团研制的多台下风向风机已经在陆上风电、海上风电中成功应用（樺岛项目、福岛一期均采用日立的下风向风机），根据相关的文献报道，该型风机具有以下特点：

1）有效避免叶片和风塔碰撞。

2）更轻更柔的叶片（同样发电功率，叶片减重达30%）。

3）不需要额外的转角驱动电机。

4）提高发电机冷却效率。

5）提高发电效率。

6）对于丘陵地带的陆上风机，发电效率和可靠性更高。

图13 下风向风机和顺风向风机Fig.13Downwind and upwind turbines

图14 下风向风机机舱绕流CFD模拟Fig.14CFD simulation of downwind nacelle

日立集团在2014、2015年的年报中多次提及该型风机的相关技术，下风向风机被认为是未来陆上、海上风机的理想形式之一。

2.3.2 液压式风机

常规风机的理念为叶片驱动轴进入变速箱，变速箱输出轴驱动电机转轴发电。液压式风机由叶片转动带动液压泵，液压泵驱动液压油进入液压马达再驱动后部发电机（图15、图16），省去机械式变速箱[12]。该型风机已经在日本福岛二期的V形漂浮式风机中成功应用，是目前在运营功率最大的风机。

图15 三菱重工液压风机概念Fig.15Hydraulic wind turbine of Mitsubishi

图16 三菱重工7 MW液压风机（Sea Angle）结构Fig.16Structure of hydraulic wind turbine（Sea Angle）of Mitsubishi 7 MW

液压式风机具有以下特点：

1）无机械变速箱，减少了风能损耗和机械磨损。

2）承载力大，特别适用重载工况（切断风速更高，发电效率提升）。

3）自动化程度高，可靠性好。

4）运转噪音低。

目前，三菱重工正在研发功率更大的液压式风机，希望在日本远海漂浮式风电中大规模推广。

3 结语

日本海上漂浮式风电发展势头迅猛，在环境省、产业经济省的经费支持下，其国内的企业、高校和研究机构投入了大量的研究资源，目前已提出了许多新的概念，且已经实现了多台样机的测试试验及并网发电。总体上有如下创新：

1）漂浮式风电基础创新，成功实施不同形式漂浮风电的样机试验。2）海上升压站设计创新，实现离岸输变电。3）开发下风向风机、液压式风机，满足未来漂浮式风电的需求。

4）从设计方案上考虑建设成本控制。

我国作为今后海上风电的建设主力军，未来走向深远海，采用漂浮式风机将是大势所趋，日本在这方面的研究、设计、建设、成本控制经验可为我国相关技术的发展提供参考借鉴作用。

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[2]ISHIDA S,KOKUBUN K,NIMURA T,et al.At-sea experiment of a hybrid SPAR type offshore wind turbine[C]//Proceedings of the ASME 2013 32nd international conference on ocean,offshore and arctic engineering.Nantes,France:OMAE,2013:9-14.

[3]Fukushima Offshore Wind Consortium.Fukushima floating offshore wind farm demonstration project(Fukushima Forward)construction of phase I[R/OL].2015.http://www.fukushima-forward.jp/pdf/ pamphlet3.pdf.

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Status and future development direction of Japan floating wind turbine theology

WU Shao-bo,YIN Hai-qing,ZHANG Kai-hua,SHI Bei-ling
（CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Floating wind turbine(FWT)is the significant direction of offshore wind power development in the future.The maritime zone of Japan is relatively large and wind resource is abundant,the research of FWT had been carried out very early in Japan.Since the Fukushima nuclear power plant disaster in 2011,Japan decided to abandon its nuclear program,and turned its attention to FWT.At present,many FWT prototypes had been installed and put into operation,and achieved good economic results.In this paper,we discussed the development of FWT in Japan,the current key projects,the innovative technology and the future development direction.The research,design and construction of FWT in Japan is in the forefront of the world,and its technology can provide a good reference for the development of FWT in China.

floating wind turbine;floating substation;downwind turbine;hydraulic wind turbine

TM614

A

2095-7874（2017）06-0108-07

10.7640/zggwjs201706024

2016-11-02

伍绍博（1985—），男，湖北黄冈人，工程师，船舶海洋工程专业。E-mail：shaobo.wu@gmail.com