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摘要：在全球高度关注发展低碳经济的大环境下，作为可再生能源电力，风电以其巨大潜质成为全球开发热点。随着陆地风电场不断建设，技术也不断趋于成熟，但是陆地的土地资源日益减少，尤其在东南经济发达地区，风电场向近海甚至深远海域的发展成为必然趋势。深远海域的海上风能资源非常丰富，而且风湍流强度和海面粗糙度相对陆地更小，开发利用深远海域风能资源是满足能源需求不断增长、实施可持续发展的重要措施，因此，发展深远海域风电技术势在必行。
关键词：海上风电；发展；技术
1我国海上风电特点
1.1风能资源丰富、利用小时数高
我国海上风电资源丰富，海岸线长达1.8万公里，可利用海域面积超300万平方公里。我国5-25米水深、50米高度海上风电开发潜力约2亿kW，5~50米水深、70米高度海上风电开发潜力约5亿kW。同时，海上风力资源相对于陆上更好，我国大部分近海90米高度海域平均风速6.5~8.5m/s，尤其是东南沿海及其岛屿，沿海岛屿的风能密度在300W/m2以上，有效风力出现时间百分率达80-90%。以江苏为例，平均风速从东部沿海向西部内陆逐步减小，近海区域70m高度风速超过了7m/s，内陆地区70m高度风速基本低于6.5m/s，西部区域风速在6.0m/s以下。从利用小时角度来看，江苏沿海海上风电项目发电利用小时数基本在3500小时以上，而2016年陆上的平均发电利用小时为2200小时。
1.2不占用土地、消纳方便
海上风电不占用土地资源，适用于大规模开发。我国沿海地区经济发展较好，也是主要电力负荷中心，例如江苏、上海、浙江、福建和广东，电网结构坚强，海上风电的消纳较为顺畅。从我国风电发展来看，当前风资源较为丰富的三北地区弃风限电较为严重，中东部和南部地区风电发展面临风资源相对较差、用地紧张和环保等问题，海上风电则避免了这些劣势，极具发展潜力。
2我国海上风电发展现状
我国风电技术通过几十年的发展不断更新，风电机组国产化产品也在优化升级中不断完善。随着我国自行设计建造的上海东海大桥海上风电示范项目一期工程的建成，我国迈出了海上风电规模化发展的第一步，随后建造并成功并网发电的海上风电项目有响水潮间带实验项目、龙源如东潮间带风电项目、华能荣成海上风电项目等，这意味着我国海上风电快速发展的进程，也将迎来海上漂浮式风电机组发展的新机遇。
目前，国内已基本了解和掌握了海上风电（潮间带和近海）工程的关键技术，但由于潮间带、近海风电场场址距离岸线较近，开发时经常与其他海域使用功能产生矛盾，相互影响，制约性因素较多，协调工作量大，相对来说，在距岸线较远海域开发风电场可避免这些问题，但目前国内对于在深远海域开发海上风电的研究还处于起步阶段。目前国内风电机组厂家主流技术主要是针对固定式海上风电机组，能否直接应用到漂浮式风电机组上还需进一步研究。漂浮式风电机组基础虽然与海洋石油平台相似，但由于风电机组处于很高位置，动力特性与传统海洋工程结构物有较大区别，同时风电机组荷载控制需要考虑基础运动响应，采用何种分析方法和手段才能保证数值模拟的准确性，使漂浮式风电机组的可靠性达到要求，是国内开展漂浮式风电场建设亟待解决的关键问题。国内技术研究受政策导向明显，漂浮式风电场海域规划、建设和维护涉及到多个部门，能否通力配合，攻克国外技术垄断十分关键。
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3海上风电关键技术
3.1发电机设计
在海上风电机组研制工作当中，其重要任务即在对风机利用率进行提升的基础上实现其维修率的降低，其维修率也将直接对风场经济效益产生影响。在实际发电机设计当中，需要能够根据实际工作环境对电机结构类型进行确定。对于双馈式发电机来说，其具有并网便捷、稳定性高以及风能利用率高的特点，但因齿轮箱的存在，使其在实际应用当中具有着较高的故障率。直驱永磁同步发电机组取消了齿轮箱，具有着较高的可靠性以及电网功率因数，但在机舱空间方面则具有着较高的要求。近年来，所开展的研究即在直驱发电机基础上对升速齿轮箱进行安装，以此实现对半直驱发电机的组成，能够在对风机故障率有效降低的基础上控制体积，能够更好的布置在机舱当中。
3.2叶片设计
在额定容量下，风机在对应不同叶尖速比以及浆距角时都具有最大的风能捕获值。对于海上风机来说，其通过大型叶片的应对具有较高叶尖速比进行获得，以此对风能的捕获量进行提升。对于大型叶片来说，其在材料强度、质量以及刚度方面都具有着更高的要求，通过环氧碳纤维树脂的复合材料所制成的柔性叶片，则能够减轻约30%左右的重量，且能够根据实际海上风况变化情况对其空气动力型面进行改善，在对叶片受力状况以及空气动力响应的基础上增加风能的捕获量，且能够获得更高的运行可靠性，具有着较好的应用前景。目前，我国在叶片材料研制方面具有了较好的进展，已经开发出了具有高性能的环氧乙烯基脂树脂，同环氧树脂相比具有相似的性能，但却具有着更低的成本。
同时，对于叶片翼型的设计也是一项关键内容，能够对更多的风能进行捕获。目前，对于低速风机叶片来说，其具有着凹、薄的翼型。而对于现代高速风机来说，其通常对流线型叶片进行使用，通常会从NACA系列当中选取，对于这部分翼型来说，其具有着更高的空气动力效率以及阻力，但在叶片翼型方面还具有较大的空间需要改进。此外，通过新空气动力控制装置的应用，如叶片幅翼等，即能够以更为有效、简单的方式实现转子旋转速度的限制，同机械刹车方式相比具有更低的运行成本以及更好的可靠性。当风轮在实际旋转过程中，将具有交替变化的受力特征，且风速不稳定情况的存在，也将导致风力机发生振动情况，且将因此增加维护成本，对此，在未来研究当中，也需要将这部分因素的不良影响降低作为一项重点进行研究。
3.3深远海域漂浮式风电机组一体化设计
国外对深远海域漂浮式风电机组均采用一体化设计，“风电机组+塔筒+基础”一体化建模进行荷载计算，充分考虑风浪流荷载联合作用对风电机组结构的影响，强度校核无缝对接，能够迅速迭代优化支撑结构，避免了传统方法造成的保守设计。采用一体化的设计方案可较传统设计降低10%~15%的工程量。目前国际的主流做法是：重力式基础采用刚性基础假设进行荷载仿真，与陆上风电机组的荷载仿真方法相同；单桩基础用梁单元有限元模型表示；而多桩基础等复杂基础则需在有限元模型的基础上进一步简化。对于波浪荷载，尤其是水动力荷载与风电机组结构、风载的耦合也有充分的研究和考虑。
然而目前，我国在深远海域漂浮式风电机组的设计领域仍然采用传统迭代设计方法，由风电机组厂商提供风电机组在极限工况下的极限荷载，设计院通过此极限荷载，计算得出基础的极限和疲劳荷载。此方法忽略了风电机组和基础耦合相互作用，且设计过度保守，大幅增加了风电机组成本。因此到目前为止，我国对漂浮式海上风电机组一体化设计及仿真模拟的研究非常少，尚未形成系统的研究成果，迫切需要通过一体化设计等技术创新手段降低海上风电场的建设成本。通过采用一体化设计方法，对海上风电场选址、风电机组选型、支撑结构、风电机组基础及风电机组进行优化设计，针对深远海域漂浮式风电机组开展稳定性研究，大幅降低风电场成本，提高风电场的运营能力，对加速发展我国深远海域风电场建设奠定了技术基础，也为更快速更准确地推进海上风电机组的商业化运行提供了保障。
结论
在风电事业不断发展的过程中，能够开发的陆地资源逐渐减少，同其相比，海上风场具有着更强的风能以及更为稳定的风力资源，且同时具有着噪声污染小以及土地资源占用率低的特点，并因此受到了各国的高度重视。要想做好海上风电场的开发工作，技术的应用十分关键，需要做好相关技术的研究与把握。
参考文献
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[2]吴姗姗，王双，彭洪兵，李锋.我国海上风电产业发展思路与对策建议[J].经济纵横，2017（01）：68-73.
论文作者:汪琦
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/14
标签：风电论文; 海上论文; 机组论文; 海域论文; 荷载论文; 风能论文; 叶片论文; 《建筑学研究前沿》2018年第31期论文;