海上风电基础研究现状与可持续发展分析

孙绪廷 杨丹良 马纯杰

(1.国家电力投资集团山东分公司，山东 济南 250000;2.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266000； 3.潍坊市建筑设计研究院有限责任公司，山东 潍坊 261000)

1 概述

随着世界经济形式的发展以及社会文明的不断进步，能源问题逐渐显现。发展高效清洁能源也成为各国经济持续发展的必要前提。我国海岸线漫长，海上风能资源丰富。根据2009年国家气候中心评估结果，离岸50.0 km范围内可以开发风能资源为7.58亿kW，如此丰富的海上风能资源为我国的海上风电事业发展提供了极大可能。经过多年发展，我国海上风电已经逐渐步入正轨。然而如何高效地利用海上风能资源，已成为了新能源发展的使命与挑战。海上风电机组基础型式大致可分为重力式基础、桩基础、吸力筒基础及浮式基础等。国内外学者对海上风电基础进行了一些研究。王胤(2018)[1]对砂性土地基中吸力筒基础沉贯性状进行了模型试验与理论分析。迟春广(2017)[2]对海上风电基础发展趋势进行了分析。Fellenius(2015)[3]对海上风机钢管桩基础沉贯过程中土塞性状进行了研究。Kelly等(2006)[4]对吸力筒基础水平循环特性进行了模型试验研究。本文以海上风电基础为研究对象，对其发展概况及基础型式进行分析探讨。

2 海上风能资源发展

自1991年全球第一座海上风电场在丹麦开始运行以来，海上风电发展经历了二十余年的历史。根据欧洲风能协会官方网站Wind Europe最新发布的统计数据，欧洲在2018年共安装了260万kW海上风电，比2017年增长了18%，累计装机达到1 850万kW。相比欧洲各国，我国国内风电市场也正以迅猛速度前进发展，截至目前为止，中国11个沿海省市中有9个省市拥有海上风电发展规划，根据海上风电规划，全国海上风电规划总量已经达到75 GW，重点分布于江苏、福建、广东等沿海城市，海上风能开发前景广阔。目前全国已并网海上风电装机容量仅次于英国和德国，位居全球第三位。在此背景下，海上风电基础的选型对海上风电发展具有重要影响。

3 海上风电基础型式

3.1 重力式基础

重力式基础通过自身的质量使得风机矗立于海面上。相比其他基础形式，重力式基础结构简单，受到海床的影响不大，具有良好的稳定性。

世界上早期的海上风电场都是采用重力式，Thornton Bank海上风电场是世界上第一个使用重力底座的商业海上风电场。该风电场所在位置水深约为12.0 m～27.5 m。该风电场使用重力底座，钢筋水泥结构，中空，建造和运输重量在1 200 t左右。安装后使用细沙或碎石填满，总重量超过6 000 t。

3.2 桩基础

单桩基础即为单根钢管桩基础，其结构特点是自重轻、构造简单、受力明确[5]。通过工厂预制可以保证管桩的质量。一般来说，单桩基础的直径为3.0 m～4.5 m，材质为钢材。桩基础是一种十分经济可靠的基础形式，代表工程有英国London Array海上风电场等。

单桩基础是目前世界上应用最多的海上风机基础形式。截至2017年年底累积数据显示，欧洲共有3 270台单桩基础的风机，占总数的81.7%。

3.3 吸力筒基础

吸力筒基础由筒体和外伸段两部分组成，筒体为底部开口顶部密封的筒型，外伸段为直径沿着曲线变化的渐变单通。海上风电中常用到的吸力筒基础一般为钢筋混凝土预应力结构和钢结构形式。相比其他基础形式，吸力筒基础有以下优点：造价低、施工速度较快，可回收利用等。

吸力筒基础的发展离不开裙板基础、吸力锚和吸力桩的发展[6-8]。20世纪70年代，挪威北海油田开始使用裙板重力式基础，1973年由Phillips石油公司负责安装的Ekofisk Doris储油罐是首个裙板基础结构物。2002年丹麦在Frederikshavn海上风电场的建设中为一台V90风电机组安装了直径为12 m的桶形基础，首次将这一基础形式应用于大型风电机组中[9]。

4 海上风电基础的适用范围

面临复杂迅猛的发展态势，各种各样的基础设计方案可谓层出不穷。海上风机在对基础选择时要考虑许多方面的因素。首先，海上风机基础投资占总投资的20%～30%。其次，海洋环境与陆地环境存在较大区别，施工难度相对较大。

4.1 桩基础

桩基础主要用于包含深厚软弱土层的大多数土质，适用水深为10.0 m～25.0 m的软土地区。由于我国海上风电场都位于近海浅水海域，理论上更适合单桩基础，但实际来说单桩基础在我国风电中应用尚不普及。主要原因是缺少单桩的施工器械，同时潮间带较浅的水深也会对施工船造成影响。

4.2 吸力筒基础

随着海上风电事业的蓬勃发展，海上风机逐渐由浅海向深海发展。相比近海海域，深海海域具有范围更广、风力资源更丰富且不与航道冲突等优势。因此，涌现出许多新的基础形式。如吸力筒基础，一般来说，这种基础形式更适用于水深在60.0 m以内的海域。其主要通过自重和负压沉贯可大大缩短施工时间，提高施工的经济性。

4.3 浮式基础

浮式基础由浮体部分、张力腱系统两大部分组成。浮体上部与风机塔筒连接，下部伸出若干悬臂浮箱结构提供浮力并与张力腱实现连接。张力腱为聚酯缆，下部与垂向受力锚连接。目前在挪威西南部海岸10 km处有一台实验式机组飘浮基础投入运行。据开发Hywind项目的公司介绍，Hywind风力发电机组可适用于水深120 m～700 m的海域。

5 结论与展望

海上风电基础型式对海上风电事业发展具有重要影响。针对不同海域，风电机组基础形式不同，其安装方法与控制体系也各不相同。