中國(guó)船舶重工集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司研究院技術(shù)中心塔筒事業(yè)部副經(jīng)理侯承宇在嘉賓演講環(huán)節(jié)發(fā)表了題為《海上浮式風(fēng)電裝備技術(shù)進(jìn)展及挑戰(zhàn)》的演講：

 

　　大家好，整個(gè)介紹分為六個(gè)方面：

 

　　首先是研制必要性，發(fā)展海上風(fēng)電是未來(lái)的必然趨勢(shì)，下面這個(gè)圖大家都非常熟悉，紅點(diǎn)區(qū)域是代表現(xiàn)在用電負(fù)荷比較高的區(qū)域，藍(lán)色三角代表現(xiàn)在陸上風(fēng)電開(kāi)發(fā)比較集中的地區(qū)，看到并不匹配，右上角看到我國(guó)風(fēng)能資源分布資源豐富，比鄰用電需求大的區(qū)域。

 

　　海上風(fēng)電不斷地發(fā)展，近海資源的開(kāi)發(fā)肯定會(huì)逐漸飽和，海上風(fēng)電勢(shì)必將會(huì)走向深遠(yuǎn)海，深遠(yuǎn)海的資源開(kāi)發(fā)潛力十分巨大。右邊的表格可以看出，中國(guó)水深超過(guò)50米的海域蘊(yùn)藏的風(fēng)能儲(chǔ)量超過(guò)了1268GW，占比在整個(gè)海上風(fēng)能的占比超過(guò)60%，當(dāng)然這個(gè)占比放到全球來(lái)看是更大，歐洲和日本是達(dá)到了80%，全球的深海風(fēng)能儲(chǔ)量是超過(guò)了8000GW。同時(shí)開(kāi)展海上風(fēng)電也是有利于近海環(huán)保。為什么這么說(shuō)？首先深遠(yuǎn)海風(fēng)電離岸距離遠(yuǎn)，對(duì)人類(lèi)生活視覺(jué)和噪音污染比較小，同時(shí)深遠(yuǎn)海風(fēng)電會(huì)采用漂浮式機(jī)組，漂浮式機(jī)組一般不需要采用大規(guī)模沉裝施工，施工影響比較小。

 

　　探索深遠(yuǎn)海風(fēng)電是國(guó)家政策導(dǎo)向，工信部、發(fā)改委、國(guó)家能源局這幾年每年都有相應(yīng)的政策出臺(tái)支持大家探索深遠(yuǎn)海風(fēng)電。

 

　　研制海上漂浮式風(fēng)電裝備是深海風(fēng)電開(kāi)發(fā)的技術(shù)路徑，現(xiàn)在采用的技術(shù)都是固定式基礎(chǔ)，他們適用的水深范圍也有所不同。國(guó)外研究30米水深以?xún)?nèi)單樁類(lèi)的基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性最好最有適用，30-60米的區(qū)域多樁導(dǎo)管架比較多，超過(guò)60米必須采用浮式基礎(chǔ)，這個(gè)數(shù)據(jù)是國(guó)外的研究結(jié)果，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的分析，但是趨勢(shì)是肯定的，隨著水深增加地勘成本還有水下結(jié)構(gòu)的成本，施工成本，增幅都會(huì)大于浮式機(jī)組。

 

　　海上浮式風(fēng)電裝備系統(tǒng)構(gòu)成從上到下主要有四部分：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、浮動(dòng)平臺(tái)、系泊錨固系統(tǒng)、輸配電系統(tǒng)。浮動(dòng)平臺(tái)就是利用浮力支撐上部的風(fēng)電機(jī)組來(lái)平衡運(yùn)行載荷，類(lèi)似于船舶會(huì)存在一定的橫蕩、綜蕩、首搖、橫搖、縱搖及垂蕩。半潛式主體多為三浮筒和四浮筒結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)就是吃水較簽，安裝難度比較小。圖上可以看出在整個(gè)碼頭就完成整個(gè)機(jī)組的組裝，再整體拖拽就可以進(jìn)行系泊錨固。張力腿式是通過(guò)浮力彰顯張力筋腱，受海流影響相對(duì)較大。

 

　　采用張力腿式浮式機(jī)組同也可以完成整個(gè)風(fēng)電機(jī)組和浮動(dòng)平臺(tái)的組裝。但張力腿平臺(tái)本身不具備自穩(wěn)性，需采用一定工程措施才能進(jìn)行整體運(yùn)輸。通過(guò)臨時(shí)增加壓載水艙，調(diào)整平臺(tái)中心，提高穩(wěn)性，才可拖航運(yùn)輸。

 

　　單立柱式比較簡(jiǎn)單，單圓柱形浮體，通過(guò)底部壓載，使重心始終低于浮心，以此維持平衡，垂蕩運(yùn)動(dòng)小，但橫搖和縱搖值相對(duì)較大，吃水較大。一般是先將Spar托至合適海域進(jìn)行直立，完成后機(jī)組安裝，最后再整體托至機(jī)位點(diǎn)進(jìn)行系泊錨固。

 

　　這三種主流技術(shù)路線(xiàn)可以說(shuō)并無(wú)最優(yōu)，各有利弊臂，我這兒就不展開(kāi)講。

 

　　除了上述的還有別的平臺(tái)，一個(gè)是多風(fēng)機(jī)平臺(tái)，將半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)大型化，一個(gè)平臺(tái)配備多臺(tái)風(fēng)機(jī)，降低單位千瓦造價(jià)。還有多能互補(bǔ)式平臺(tái)，將風(fēng)能與波浪能、太陽(yáng)能等其它新能源相結(jié)合。

 

　　浮式機(jī)組的系泊錨固系統(tǒng)與海洋油氣行業(yè)所采用的系統(tǒng)無(wú)本質(zhì)區(qū)別，主要根據(jù)海床條件、所采用的平臺(tái)類(lèi)型、施工條件以及經(jīng)濟(jì)性選擇合適的類(lèi)型，但是設(shè)備的時(shí)候要考慮該系統(tǒng)對(duì)浮動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)性能的影響。

 

　　系泊聲一般分為懸鏈?zhǔn)健埦o式和半張緊式。錨固系統(tǒng)常用也有好幾種，包括拖拽嵌入錨、沉管灌注樁等等，適用類(lèi)型也有區(qū)別。

 

　　下面回顧一下國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程和現(xiàn)狀。早在1972年美國(guó)麻省理工大學(xué)已經(jīng)提出了這個(gè)概念，但是沒(méi)有突破性的進(jìn)展，直到1990年還是處于縮尺模型的水池試驗(yàn)階段。直到2009年才正式進(jìn)入了兆瓦級(jí)機(jī)組樣機(jī)示范階段。有挪威的Hywind2.3兆瓦Spar，美國(guó)WindFloat2兆瓦半潛式這是2011年，還有2012年日本五島安裝2兆瓦的Spar。下面是日本福島系列工程。

 

　　到了2017年海上浮式風(fēng)電裝備進(jìn)入了小批量應(yīng)用階段，10月，全球首個(gè)海上浮式風(fēng)電小批量項(xiàng)目在蘇格蘭投產(chǎn)。2020年前，預(yù)計(jì)還將有數(shù)個(gè)海上浮式風(fēng)電小批量項(xiàng)目將陸續(xù)投產(chǎn)，能看出來(lái)后續(xù)安裝的機(jī)組都是大功率機(jī)組。

 

　　國(guó)內(nèi)相對(duì)而言發(fā)展的起步要晚一點(diǎn)，進(jìn)展也相對(duì)來(lái)說(shuō)慢一點(diǎn)，前期哈工程、重慶大學(xué)包括上海交大一些高校展開(kāi)過(guò)一些相關(guān)的理論研究和概念設(shè)計(jì)，企業(yè)牽頭的省部級(jí)科技部項(xiàng)目就比較少，比較有代表性的是兩個(gè)，2013年國(guó)家科技部863項(xiàng)目，還有2016年的前期研究項(xiàng)目。

 

　　近幾年中國(guó)海裝在浮式機(jī)組的研究方面也開(kāi)展了相關(guān)工作。2016-2018年，中國(guó)海裝與瑞典Hexicon、美國(guó)Atkins公司就蘇格蘭北部海域2×5兆瓦浮動(dòng)市風(fēng)電示范項(xiàng)目，開(kāi)展了合作項(xiàng)目。在這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中海裝主要角色還是風(fēng)機(jī)供應(yīng)商和運(yùn)維服務(wù)商，但是實(shí)際上我們?cè)谳d荷、控制、電氣等各個(gè)方面都與外方展開(kāi)了全面合作，包括共同搭建仿真平臺(tái)，對(duì)雙風(fēng)機(jī)單平臺(tái)協(xié)同控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)等等。

 

　　今年我們中船重工集團(tuán)和海裝都與廣東省湛江市簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，明確在湛江市建設(shè)浮式風(fēng)電裝備示范項(xiàng)目，選址位于徐聞外羅附近海域，水深50米以上，同時(shí)與軍客源簽訂示范應(yīng)用協(xié)議，在南海建設(shè)基于浮式風(fēng)電的綜合能源保障系統(tǒng)，同時(shí)今年我們也申報(bào)了國(guó)家工信部的項(xiàng)目，希望也來(lái)承擔(dān)國(guó)家項(xiàng)目。

 

　　可以說(shuō)現(xiàn)階段發(fā)展浮式風(fēng)電還面臨著很多問(wèn)題，因?yàn)閺脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)到分析工具再到積累的經(jīng)驗(yàn)都是比較欠缺的，面臨的挑戰(zhàn)很多，我后面是列舉了四個(gè)方面：

 

　　一是總體設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，就是如何提高整個(gè)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比與可靠性。浮式機(jī)組下面的浮動(dòng)平臺(tái)與系泊錨固系統(tǒng)其實(shí)都屬于海洋結(jié)構(gòu)物，在設(shè)計(jì)上就與風(fēng)電機(jī)組有很大的不同，理論上來(lái)說(shuō)風(fēng)電機(jī)組要利用風(fēng)載，海洋結(jié)構(gòu)物要減少風(fēng)載，目標(biāo)來(lái)說(shuō)風(fēng)電機(jī)組以提升發(fā)電量，優(yōu)化度電成本為目標(biāo)，海洋結(jié)構(gòu)物為滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)響應(yīng)要求為目標(biāo)。在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要遵循一體化設(shè)計(jì)理念，具體來(lái)說(shuō)就是要以系統(tǒng)總體性?xún)r(jià)比為目標(biāo)，以安全性為約束，分配風(fēng)電機(jī)組與浮式基礎(chǔ)的性能指標(biāo)，進(jìn)行可靠性匹配，經(jīng)迭代尋優(yōu)之后開(kāi)展詳細(xì)設(shè)計(jì)。這樣做的難點(diǎn)就在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算和控制策略設(shè)計(jì)需要同步進(jìn)行迭代，機(jī)組、浮動(dòng)平臺(tái)、系泊錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要同步展開(kāi)。

 

　　二是載荷分析的挑戰(zhàn)，準(zhǔn)確性和可信度也是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。浮式機(jī)組工作在風(fēng)浪流綜合載荷系統(tǒng)的負(fù)責(zé)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)維度狀態(tài)更多，運(yùn)動(dòng)和載荷相互影響，載荷環(huán)境遠(yuǎn)比固定式基礎(chǔ)要復(fù)雜，在一體化耦合動(dòng)力學(xué)分析模型建立、工況定義、載荷頻域、時(shí)域轉(zhuǎn)換等需要大量的工作，同時(shí)還要進(jìn)行一致性驗(yàn)證，驗(yàn)證分為兩個(gè)階段，首先在設(shè)計(jì)階段要利用水池試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比雁陣，樣機(jī)載荷測(cè)試結(jié)果與浮式風(fēng)機(jī)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。

 

　　三是水池試驗(yàn)的挑戰(zhàn)，為了驗(yàn)證載荷的分析方法以及結(jié)果，必須要進(jìn)行水池試驗(yàn)，而水池試驗(yàn)的難度主要在于如何確定模型的尺度等效性以及耦和加載。需要研究比例縮放模型與真實(shí)設(shè)備的尺度模擬關(guān)系，建立等效映射，風(fēng)載和波浪載荷、洋流載荷存在耦合、工況復(fù)雜，需要研究耦合加載方法。

 

　　四是工程華技術(shù)挑戰(zhàn)，工程化問(wèn)題可以更為具體也更多，我這里列舉了三個(gè)方面，首先是環(huán)境適應(yīng)技術(shù)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候風(fēng)資源情況、海洋水文情況、地質(zhì)情況都需要進(jìn)行考慮，尤其是針對(duì)極端環(huán)境條件像臺(tái)風(fēng)，腐蝕也是重點(diǎn)要關(guān)注的方面。然后是安裝技術(shù)，安裝技術(shù)剛才也介紹了，不同的浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并不相同，針對(duì)具體項(xiàng)目碼頭的條件、運(yùn)輸條件、設(shè)備條件也有所不同，如何來(lái)提高或者確保具體項(xiàng)目安裝方案的高效和安全，也有很多具體的工作需要做。最后是運(yùn)維技術(shù)，浮式機(jī)組運(yùn)維對(duì)象更多，除了風(fēng)電機(jī)組包括下面的風(fēng)電平臺(tái)和系泊錨固系統(tǒng)都需要進(jìn)行運(yùn)維，浮式機(jī)組利用于深遠(yuǎn)海，可達(dá)性問(wèn)題更為凸顯，所以首先要考慮如何提高設(shè)備的可達(dá)性，后面實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)、故障預(yù)測(cè)技術(shù)也需要展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

 

　　最后再簡(jiǎn)單展望一下應(yīng)用前景。其實(shí)浮式機(jī)組除了可以并網(wǎng)發(fā)電之外，業(yè)內(nèi)其實(shí)大家也在探索一些新的應(yīng)用，比如GNVGL的雙贏項(xiàng)目，將浮動(dòng)市海上風(fēng)電與海上注水采油平臺(tái)相結(jié)合，日本也在探索利用浮式機(jī)組打造海洋漁場(chǎng)和養(yǎng)殖場(chǎng)。我們集團(tuán)也是在做一個(gè)相應(yīng)的探索，下面的三個(gè)浮體都是我們集團(tuán)設(shè)計(jì)的大型浮體，左邊是極大型的海空港基地，中間是深海漁業(yè)資源保障平臺(tái)，右邊是海洋之心，是提供餐飲娛樂(lè)的浮體，我們現(xiàn)在也在考慮是否能用浮式機(jī)組給這些浮體直接供電，一起打造一個(gè)海上的智慧浮島群。

 

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