浮式风力发电机组现状及发展趋势综述

2020-07-17刘晓辉高人杰

分布式能源 2020年3期

刘晓辉，高人杰，薛宇

(中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100)

0 引言

为促进全球可再生能源进一步发展，以及满足对碳排放限制的要求，开发海上风电势在必行。在过去五年中，近海固定式风力发电得到了快速发展，截至2019年底，全球海上风电累计装机容量27.2 GW，比2018年增长了24%[1]。

由于近海区域风力资源有限，欧洲、日本等国家开启了浮式风力发电机组(floating offshore wind turbine，FOWT)的开发与研究。相比较而言，浮式风力发电机组可以不受海水深度限制，可应用在深海区域。以欧洲为例，海上可开发的风力资源80%集中在深海区域，这更促进了各国对浮式风力发电机组的研发与投入。

浮式风力发电机组在开发过程中还存在着很多问题，涉及机组选型、基础结构、海洋环境、制造成本等多方面。本文在总结全球主要浮式风力发电机组项目的基础上，分析浮式风力发电机组在市场、技术、项目开发、制造成本等方面主要聚集的问题，供同行业人员参考。

1 市场现状

世界首台兆瓦级浮式风力发电机组由挪威Equinor公司投资建设[2]，实物图见图1。风机基础结构采用柱状浮筒(Spar-Buoy)设计，风机功率2.3 MW，质量138 t，轮毂中心高度65 m，转动直径82.4 m，吃水深度100 m，排水量5 300 m3，水面处直径6 m，水下直径8.3 m，安装海域水深120～700 m，采用3悬链系泊。

图1 世界首台全尺寸风力发电机Hywind

自2009年世界首台全兆瓦级浮式风力发电机组诞生以来，全球累计安装了14台兆瓦级浮式风力发电机组(数据统计至2020年2月29日)，其中，由Principle Power公司设计的WindFloat项目已于2012年退役，现役浮式风力发电机组见表1[3-4]。

根据世界海上风电论坛(WFO)发布的最新数据(见表2)，全球共有10个已投运、在建、规划中的浮式海上风电项目(不包括示范项目)，总装机容量超过1 GW[1]。

(1) 已投运项目(所有风机全部投运)1个：苏格兰Hywind Scotland，30 MW。

(2) 在建项目(未全部投运，至少安装了1台风机)2个：葡萄牙Windfloat Atlantic，25 MW；英国Kincardine，50 MW。

(3) 规划中的项目7个，分布在法国、挪威、韩国。

表1 全球浮式风力发电机统计

Table 1 Statistics of global FOWT

项目国家运行时间容量/ MW水深/ m主机Fukushima 1期日本20132120HitachiFukushima 2期日本2016201712120MHIHitachiSakiyama 2MW日本20162100HitachiKitakyushu日本2019370HitachiFloatgen Project法国2018233VestasHywind-Demo挪威20092.3220SiemensHywind Scotland英国201730100SiemensKinkardine Phase 1英国2018262Vestas

表2 全球投运、在建和在开发浮式海上风电项目(不含10 MW以下项目)

2 浮体基础结构

浮式风力发电机组与固定式海上风力发电机组最大的区别就在于浮体基础结构设计上。目前常见的浮体基础结构分为三大类，如图2所示[5]。

图2 浮式风力发电机组浮体基础类型

(1) 柱状浮筒(Spar-Buoy)。

采用直立的柱状型结构，其稳定性来自于整体结构之重心在水中低于浮力中心，亦即下半部较重而上半部较轻。结构简单容易生产、稳定性良好，但其运输及安装挑战较大，且因结构特性通常只能部署于水深超过100 m的区域。

典型代表有Statoil(NOR)的Hywind、Toda Construction(JP)的Hybrid Concrete-Steel Spar等。

(2) 半潜式平台(Semi-Submersible Platform)。

利用在海面半潜产生的浮力稳定平台，平台用悬链锚泊在海床上，通常需要较大及较重之浮体结构，或是配备动态稳定系统以维持稳定。但其吃水较浅，有利于较浅水域装置；其安装与拆卸在主流技术中为最简便，有利于弹性部属。

典型代表有Principle Power(US)的WindFloat平台、IDEOL(FR)的Damping Pool平台、Mitsui Engineering & Shipbuilding(JP)的Compact Semi-Sub平台等。

(3) 张力腿平台(Tension Leg Platform)。

由半潜式结构，加上拉紧张力、固定于海床上的锚绳组成。其浮体结构较半潜式平台小且轻，主要靠拉紧的锚链维持其稳定性。此设计优点在于浮体结构成本低，但其增加锚定系统的应力使得损坏几率提高，而其安装过程也较复杂。

典型代表有Glosten Associates(US)的PelaStar平台、Blue H Group(NED)的Blue H TLP平台。

除以上3种常见浮体基础结构外，还有多风机浮式平台(Multi-turbine Platform)(见图3)、风能与波浪能混合平台(Hybrid Wind/Wave)等浮体结构(见图4)。

图3 多风机浮式基础平台

图4 混合式平台

3 系泊和锚定系统

3.1 系泊系统

在已运行的浮式风力发电机组当中，常见的系泊系统分为2类：1种是悬链系泊系统(Catenary)，另1种是张力系泊系统(Taut-Leg)。对于一些特殊的场合，也采用2种系统同时混用的系泊系统，也称为半张力系泊系统(Semi-Taut)[5]。

(1) 悬链系泊系统。

如图5所示，悬链系泊系统结构形式为：通过钢链自身的重量和弯曲的形状将平台固定，钢链的下段位于海底，通过支撑锚固定在海床，限制平台移动。这种结构在暴风雨条件下可以起到配重作用。

图5 悬链系泊

图6 张力系泊

系统特点：海底占地面积范围大，锚受到水平方向的载荷，载荷低。依靠钢链重量限制平台位移，平台水平方向位移一定程度受限，但较张力系泊有更大自由度，安装相对容易。悬链系泊对海床破坏较大。

(2) 张力系泊系统。

如图6所示，张力系泊系统结构形式为：浮式平台与锚之间通过钢链或者高强度纤维拉紧、固定，保证浮式平台的稳定性。

系统特点：海底占地面积范围小，对锚施加垂直方向载荷，锚受到的载荷高，平台垂直方向位移受限，高张力使平台具有优良的稳定性，对海床破坏小。缺点是平台安装困难。

(3) 半张力系泊系统

如图7所示，半张力系泊系统结构形式为：1根钢链或者高强度纤维拉紧平台和旋转塔，其余钢链或者高强度纤维类似悬链系泊置于海底。

图7 半张力系泊

系统特点：性能介于悬链系泊和张力系泊之间，载荷方向与锚点呈45°，基础水平位移受限，但可以绕回转塔旋转，单个连接点使平台容易受到波浪引起的运动影响，施工相对容易。

对于悬链系泊系统，比较适合柱状浮式平台和半潜式浮式平台，张力系泊系统比较适合张力腿浮式平台。半张力系泊系统，更适合无需偏航的浮式风力发电机组。

3.2 锚定系统

根据系泊系统、海底条件和载荷的要求，锚定系统也有很多种方式，常见锚定系统及其特点见表3[5]。

表3 常见锚定系统比较

4 未来发展趋势

浮式风力发电机组近几年技术快速发展，但不同于固定式海上风电机组，浮式风力发电机组在工程建设当中还有许多问题需要克服。

(1) 机组方面。

由于浮式风力发电机组所处区域风资源更加有优势，商业化项目单机容量基本都在6 MW以上，从表2反馈的情况来看，新建项目普遍在8 MW以上。这是因为随着功率的提升，机组单位千瓦造价成本会下降。

迄今为止，所有的风力发电机组都是基于固定式桩基设计的，而浮式风力发电机组运行过程中受海风、波浪的影响，桩基不稳，这对机组运行也带来了不利影响，需要统筹考虑。

由于海上风电施工成本巨大，叶片、发电机、齿轮箱等大部件必须具备高可靠性。同样，后期机组后期运维也是一笔不小开销，如何运用现代化物联网、5G等技术，加强风机智能化运维也是需要重点研究的方向。

(2) 浮体结构设计。

由于在石油、天然气开采方面技术的积累，浮式平台的设计相比较而言，各国在人才、技术方面的储备要强一些。但海上浮式风力发电机组海平面以上尺寸高度高、较传统平台重心上移，因此在平台设计上需重点考虑。浮式平台还要受到波浪、洋流的影响，尽管已有很多学者展开了研究，但各地气候、海洋环境不一样，需要因地制宜开展研究。

海上浮式项目的成本取决于其使用的浮体结构的特点。浮体结构设计既要考虑成本问题，也要考虑浮体对整个发电系统运行稳定性的影响。从技术角度来讲，半潜式平台更具有优势。半潜式平台吃水深度浅，在安装风力发电机后也可以稳定运行。半潜式平台允许技术人员在码头进行全面的装配和调试，安装时可以直接将平台牵引至安装区域，不必动用大型船舶系统。另外，在机组退役或者需要迁移时，可以方便的拆卸、拖动。

(3) 海底电缆及输配电。

浮式风力发电机组通常距离海岸线的距离较远，电缆的选用需要综合考虑敷设路径、输电能力、波浪载荷、海水侵蚀、海洋环境、制造成本等方面的影响。浮式平台常年处于飘动状态，电缆与机组设备的连接必须可靠牢固，否则会引起放电现象，烧毁设备。

浮动平台的动态特性将要求研发人员和电缆制造商紧密配合，进行动态电缆的设计，以确保电缆上的循环载荷和弯曲不会损害到系统。在2019年4月份，为鼓励新型海底电缆的制造，在苏格兰政府的支持下，Carbon Trust专门组织了全球范围内浮式风力发电项目企业成员进行了一次动态电缆的评选活动，并选出了5家获奖单位[5]。

在升压站建设方面，为减少输电线路损耗，一般要在远海处就应升高线路电压，升压站长期处于潮湿、盐雾环境，里面的电子元器件必须要与外界隔离，升压站设计既要考虑平台稳定性，也要考虑环境的影响，这对设计者也提出了挑战。

5 风浪耦合利用

5.1 风浪耦合利用的背景

海上风能在过去十年中得到了快速的发展，但由于成本较陆上风电成本高，故在商业可行性方面仍面临巨大挑战。为了降低成本，同时克服风力发电的能流密度低和不连续、不稳定的缺点，发展海洋能的综合利用技术[6]，将海上风力发电与其他海洋能综合利用即多能互补成为了当前研究和开发的热点。多能互补的意义在于通过研发新型海洋能开发利用工程结构，建设多能互补的电站，综合利用海上风能、太阳能、波浪能和潮流能等海上可再生能源，提高能源开发效率。

可与风能结合的海上可再生能源，由于都面临共同的复杂海洋环境、都需要降低开发成本等共同点，使得集成开发成为大势所趋。但因为其他海洋能源技术目前要么不太发达，要么联合资源稀少，因此目前与海上风能结合的研究以波浪能居多。尽管波浪能技术还处于发展的初级阶段，但其巨大的潜力和广泛的可能性，与海上风能是一样的[7]。波浪能与风能和太阳能的区别在于，风能往往在早上或晚上消失，太阳能也只能在白天使用，而波浪发电的连续性更好[8]。欧洲中期天气预报中心(ECMWF)近年的ERA-interim海表风场和海浪资料显示，从整体上看，我国台湾-南海大风区一带风能资源和波浪能资源均较丰富[9]，有较好的开发条件。且中国大部分海域单位面积的波浪能总储量在2×104kW·h/m以上，资源储量远大于风能[10]。

5.2 波浪能转换装置的发展现状

在我国乃至世界范围内，波浪能越来越被认为是一种重要而且非常有发展前景的能源。虽然目前除了发电浮标之外，波浪能发电装置没有进行大规模商业化应用，但在欧洲、日本和北美，波浪能转换技术仍在积极发展，已拥有超过1 000项专利[11]。

我国波浪能发电技术研究已有30多年的历史，先后研建了100 kW振荡水柱式和30 kW摆式波浪能发电试验电站，利用波浪能发电原理研制的海上航标灯已形成商业化产品并对外出口。英国、挪威、日本、葡萄牙、丹麦、美国、瑞典和澳大利亚等国家也在积极发展波浪能利用技术，尤其是欧盟国家，一直走在研发前沿。欧洲战略能源技术计划(SET-Plan)已经制定了2050年目标，海洋能源(波浪能和潮汐能)和海上风能的装机容量分别为1.88×108kW和4.6×108kW。至2020年的目标分别是3.6×106kW和40×106kW。过去几年在波浪-海上风能耦合利用方面进行的大部分工作都是由欧盟资助的研究项目，这些项目试图加强工业和科技的合作，以开发更可持续的能源。目前，这些项目的研究重点放在风浪资源的耦合、协同效应和混合平台的技术要求上[12]。在波浪能示范电站建设及运行方面，西班牙和以色列等国处于领先[13]。我国波浪发电装置示范试验的规模远小于挪威和英国，试验的开发方式类型远少于日本，且小型装置距实用化还有一定距离，装置运行的稳定性和可靠性等还有待进一步提高[14]。

总的来说，虽然国际波浪能技术在近年来得到了迅速发展，但波浪能技术种类比较分散，尚未进入技术收敛期[15]。尽管全球有不少波浪能发电装置进行了长期海试，但在恶劣环境下发电装置的生存性、可靠性、高效转换等关键技术问题仍然有待突破。

5.3 风浪耦合利用的分类

按照能量传递方式，将波浪能技术划分为振荡水柱类、振荡浮子类和越浪类[16]。具有气室，利用波浪驱动气室内的空气往复穿过与发电机相连的空气透平的装置属于振荡水柱类；利用自身相对运动，或与地面相对运动驱动发电系统的装置属于振荡浮子类；具有高位水库，利用波浪冲入高位水库的水驱动水轮机发电的装置属于越浪类。

按照波浪能装置的布放位置，将波浪能装置划分为岸基式、近岸式和离岸式，其中岸基式多为坐底式，离岸式多为漂浮式。国际可再生能源署(international renewable energy agency, IRENA)于2015年发布的研究报告指出，近70%的波浪能技术为漂浮式，约20%为坐底式；60%多的波浪能技术为离岸式应用，约20%为近岸式应用，不到10%为岸基式[13]。故波浪能与浮式风力发电机组的结合有良好的技术基础。

此外，波浪能的利用还可以根据波浪条件(规则波和不规则波)、发电机类型(旋转或直线)、控制方式(机械或电气)等进行分类[11]，也有按照设备的位置、开发时间和投资成本划分第一、二、三代的分类。其中最常见的是按照波浪能的传递方式进行分类。

由于波浪能和海上风能系统组合的新颖性，目前尚缺乏一个综合的分类。文献[12]等提出了协作系统(独立阵列和组合阵列)、混合系统(底部固定式和漂浮式)和岛屿系统(人工岛屿和浮动岛屿)三类耦合利用的型式。

截止目前，虽然对风浪耦合的设计概念提出的型式很多，但只有少数研究涉及混合系统，而之前的大部分工作都是围绕集成资源的特征以及这两种技术的潜在联合的可行性，例如协作可行性指数研究，研究了风、浪资源的时间相关性对组合输出功率及其并网的影响，研究了风浪协同发电和遮蔽效应对风电场整体运行的影响。

5.4 风浪耦合利用的意义和前景

由于近海空间规划、海上基础设施规划、建设许可程序、监管的规章制度等许多方面都存在重叠，所以海上风能与波浪能耦合开发利用可以共享前期工作和成本。同时，通过技术上的研发，可以实现提高能源利用效率、提高发电质量、共享基础结构、系泊系统和节省运维成本等多方面的优势。

多能互补集成发电技术的应用前景广阔，未来需在离岸化、新材料、大型化和阵列布局等方面进行技术研究和攻关[17]。

由于风和浪的生成机理的天然相关性，一般风资源丰富的海域波浪能资源也相当丰富。因此，许多专家、学者都在进行风浪耦合利用装置的研发。日本、英国、美国、挪威、爱尔兰和丹麦等多个沿海国家相继投入大量资金对海上风能与波浪能综合发电装置进行研究，国外专家分别提出了基于导管架基础结合振荡水柱式波能发电的综合利用装置、基于半潜式平台风机基础结合点吸收和振荡水柱式波能发电的综合利用装置、基于柱状浮筒风机基础结合环形振荡浮子波能发电的综合利用装置、基于半潜式风机基础结合摆式波能发电的综合利用装置、基于单桩风机基础结合振荡浮子、振荡水柱式波能发电的综合利用装置等[18-21]。国内也有大连理工大学的研究团队[22-24]提出基于半潜式风机基础结合中心柱上的环形振荡浮子波能发电的综合利用装置、基于张力腿式平台风机基础结合振荡浮子波能发电的综合利用装置，另外，华北电力大学、集美大学、中国海洋大学、上海科技大学、哈尔滨工程大学等也在该领域开始了深入研究[25-26]。国外的基于浮式风机的风浪耦合利用装置研发起步较早，已有进入实验室研究阶段的模型机或样机，而国内大部分结构仍处于概念设计、数值模拟阶段。

对风浪耦合利用的装置，多采用多体耦合集成的时域仿真方法，在已有的动力响应研究中可以看到，波能装置就像一个阻尼器，利用入射波的能量产生运动并转换成电力，同时可以减少海上风电基础的波浪载荷，更有利于结构的安全性和稳定性。同时，有学者提出，加州的风能和波浪能联合电场每年的无电力输出不足100 h，相比之下，单独的海上风能发电场无电力输出时间超过1 000 h，单独的波浪能发电场每年的无电力输出超过200 h[27]。

由此可见，风浪耦合可以大大减少海上风电场的无电力输出时间，有利于结构的安全性和稳定性，提高发电质量，应用前景广阔。