海上风力发电机组基础设计分析
海上风电机组基础结构课件
能源安全
海上风力发电可以减少对 化石燃料的依赖，提高能 源安全性。
经济发展
海上风力发电项目可以促 进当地经济发展，提高就 业率，同时为政府带来税 收收入。
海上风电机组的基础结构类型
单桩基础
单桩基础由一个大型桩柱 和上部结构组成，通过桩 柱将机组重量传递到海底 地基。
导管架基础
导管架基础由一个或多个 导管架组成，上面安装有 叶片和机舱等设备。
疲劳分析
考虑到海上风电机组运行过程中承受的疲劳载荷 ，对关键部位进行疲劳分析和优化。
结构设计的优化
材料选择
选择高强度、轻质、耐腐蚀的材料，提高基础结构的性能和耐久 性。
构造优化
通过优化基础结构的构造方式，提高整体性能和稳定性。
细节处理
对关键部位进行细节处理，如加强筋、倒角等，提高结构的安全性 和可靠性。
安装质量控制
验收质量控制
在安装过程中，进行质量检验和监督，确 保安装精度和质量。
在验收时，进行质量检验和评估，确保基 础结构的质量和安全性。
安装过程中的问题及解决方案
定位精度问题
在安装过程中，可能存在定位精度不足的问题，导致安装 困难。解决方案是使用高精度的GPS等定位设备，提高定 位精度。
支撑架稳定性问题
浮体基础
浮体基础由浮体和锚链组 成，通过锚链将机组固定 在指定位置。
海上风电机组的基础结构材料
高强度钢材
用于制造桩柱、导管架和锚链 等结构件。
铝合金
用于制造叶片和其他轻量化部件。
复合材料
用于制造机舱罩、导流罩等部件， 具有轻量化和抗腐蚀等优点。
02
海上风电机组基础结构设 计
结构设计原则
安全性
海上风电机组基础结构应能够承 受极端自然环境和地震等自然灾 害的影响，确保结构安全性和稳
海上风力发电系统的研究与设计
海上风力发电系统的研究与设计随着环保意识日益增强，清洁能源成为未来的发展方向。
其中，海上风力发电系统因其能够将大气蕴含的巨大风能转化成电能且具有更高的风速、平稳的风向、更少的遮挡等独特优势，已成为清洁能源研究的热点之一。
一、海上风力发电系统的基本原理海上风力发电系统是通过安装在海上的风力机组来将海上的风能转化成电能，然后通过电缆将电能输送回陆地或者用于相关海洋工业的供电。
其中，风力机组是海上风电系统的核心部件，通常由塔筒、三叶叶轮、传动系统和发电机等部分组成。
海上风电系统的基本原理是通过将风能转化成机械能，最终转化成电能。
当海上风力机组面对海风时，叶轮开始旋转，通过传动系统将旋转的机械能传达给发电机，最终将机械能转化成电能。
通过电缆将电能输送回陆地，或者供给岛屿等需要用电的地方，达到清洁、高效、稳定的能源供给。
二、海上风力发电系统的优势相比于陆地风力发电系统，海上风力发电系统具有以下优势：（一）更高的风速海上风力发电系统的风速常常比陆地风电要高出很多。
原因在于海上风能受到侵袭较少，且风向相对较稳定。
这在一定程度上可以提高海上风电的功率密度。
（二）更稳定的风向相较于陆地风能，海上风能受到山地、楼房等因素的遮挡较少，风向相对较稳定。
这有利于提高风能转化的效率，也便于设计风力机组的传动系统。
（三）生态环境较少破坏相较于陆地风力发电系统，海上风力发电系统对于生态环境的破坏较少，不会造成土地资源的占用和环境污染。
（四）耐久性更强海上风力机组通常设有较好的抗风能力和抗摇晃能力，能较好地抵御海洋环境的侵蚀和破坏，耐久性更强。
三、海上风力发电系统的研究与设计（一）风力机组叶轮的材料风力机组的叶轮材料是海上风力发电系统中的一个关键问题。
目前，常用的叶轮材料包括环氧树脂玻璃钢、碳纤维等。
特别是碳纤维叶轮具有强度高、重量轻、耐久性好等特点，是未来的发展方向。
（二）水下基础设计海上风力机组需要安装在水下基础上，水下基础的设计是影响海上风电效率的一个重要因素。
海上风电项目的基础工程设计与建设方案
海上风电项目的基础工程设计与建设方案海上风电项目是利用海上的风能资源，通过建设风力发电设施来实现清洁能源的生产。
这种项目对于保护环境、减少温室气体排放以及推动可再生能源的发展具有重要意义。
基础工程设计与建设方案是海上风电项目的关键步骤，它涉及到项目的可行性、安全性、经济性等方面的考虑。
首先，基础工程设计应该重点考虑项目的可行性。
在海上风电项目的选择和设计过程中，需要对海域风能资源进行详细的测量和评估。
通过风向、风速、风场分布等数据的分析，确定最适合建设风电场的海域区域。
此外，还需对海域地质特征进行综合评估，确保海底地质条件适宜建设风力涡轮发电机的承载。
其次，基础工程设计应注重项目的安全性。
由于海上风电项目建设在恶劣海洋环境中进行，考虑海浪、风暴、潮汐等因素对设施的影响至关重要。
设计方案应该充分考虑设施的抗风能力、抗浪能力、抗倾覆能力等。
通过合理的结构设计和建设材料的选择，确保风电设施在面临极端天气条件时的稳定性和安全性。
此外，基础工程设计还需考虑项目的经济性。
风电项目的建设和运维成本是考虑项目可行性的重要因素。
基础工程的设计应该尽量降低材料成本、施工成本和运输成本，提高建设效率和设施的使用寿命。
合理的设计方案还应该考虑项目的可持续性发展，通过优化布局、增加装机容量等方式提高发电效率和经济效益。
基于上述考虑，一个典型的海上风电基础工程设计方案可以包括以下几个主要步骤：1.项目区域评估：对目标海域进行风能资源的调查和评估，确定最适合建设风电场的区域。
同时，进行地质勘探和地质特征的分析，评估地底条件适宜性。
2. 设计方案：根据风能资源和地质评估结果，设计合理的基础工程方案。
考虑到海上环境的特殊性，结构设计应具备良好的抗风抗浪能力，同时确保施工和运维成本的合理性。
3. 施工模拟与优化：借助现代建模技术，对基础工程的施工过程进行模拟和分析，寻找最佳施工方法和流程。
通过优化方案，提高施工效率和质量。
4.可持续性发展考虑：考虑到海上风电项目的长期运营，设计方案应注重设备的可持续性和维护保养的简便性。
海上风力发电整机的气象条件分析与优化设计
海上风力发电整机的气象条件分析与优化设计近年来，海上风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了越来越多国家和地区的关注和重视。
与传统的陆上风力发电相比，海上风力发电具有更稳定的风能资源、更高的发电效率和更大的发展潜力。
因此，海上风力发电整机的气象条件分析与优化设计成为了该领域研究的重要内容之一。
一、海上风力发电整机的气象条件分析1. 风能资源评估风能资源评估是设计风力发电整机的基础工作。
通过分析海上风电场区域的历史风速和风向数据，可以评估出该地区的风能资源状况，并依此确定风力发电机组的容量和数量。
此外，还需考虑海上风力发电场区域的气象特征，如季节性变化、风速频率分布等因素。
2. 海上风力电场气象条件分析海上风力电场的气象条件与陆地有很大的差异。
海上环境中的风速和风向受到海面摩擦、海气热量交换等因素的影响，因此与陆地相比，具有更高的风速和更大的风速变化范围。
海上风力发电场区域的气象条件分析需要考虑到风速、风向、波浪、潮汐等因素的综合作用，以及对风力发电机组稳定性的影响。
3. 气象条件对风力发电机组的影响海上风力发电机组的设计需要充分考虑气象条件对其运行的影响。
例如，风速过大可能导致风车叶片受损，风速过小则会导致发电效率低下。
此外，海上环境中的盐雾、海水腐蚀等因素也对风力发电机组的耐久性和运行稳定性提出了更高的要求。
二、海上风力发电整机的优化设计1. 结构设计优化海上风力发电机组的结构设计需要考虑到海上环境的恶劣条件。
为了提高其抗风能力和耐久性，可以采用轻质高强度材料，优化叶片的形状和结构，增加塔基的稳定性等手段。
此外，还需合理设计发电机组的防护措施，以防止海水腐蚀和盐雾侵蚀。
2. 控制系统优化海上风力发电机组的控制系统需要实时监测和调节风速、液压系统、电力系统等参数，以保证其安全运行和高效发电。
优化控制系统的设计可以提高发电机组的响应速度和稳定性，提高发电效率和可靠性。
3. 电网接入优化海上风力发电场的电能需要接入陆地电网进行输送和利用。
海上风电基础设计与施工
混凝土沉箱式
8
重力基座式
9
重力基座式
10
单桩基础
11
水上三桩基础
12
水下三桩基础
13
水下三桩基础
14
导管架基础
15
吸力桶基础
16
英国的张力腿式Blue H 风电机组 漂浮式基础
挪威的Spar 式Hywind 风电机组
17
2.2 国内海上风电典型风机基础结构 低桩高台柱基础 高桩承台基础 单桩基础 水下三角架基础（Tripod） 导管架基础 吸力筒基础
与早期的东海大桥一期海上风电场相比，工程成本降低了约20%。
5
2 国内外海上风电典型风机基础结构
2.1 国外海上风电典型风机基础结构 2.2 国内海上风电典型风机基础结构
6
2.1 国外海上风电典型风机基础结构 重力式基础 单桩基础 水上三桩（Tripile） 水下三桩（Tripod） 导管架基础 吸力筒基础 漂浮式风机基础
18
低桩高台柱基础
19
高桩承台基础
20
单桩基础
21
三角架基础
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导管架基础
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吸力桶基础
24
25
3 荷载分类及作用组合
荷载分为以下三类： 1 永久荷载，主要有上部结构传来的风电机组重力荷载 Fzk 、基础及附 属结构自重G 、预加应力 N p 等。 2 可变荷载，主要有上部结构传来的风电机组荷载水平力 F xk 和Fy k 、 水平力矩Mxk 和 Myk 、扭矩Mzk ，风荷载W 、波浪力P 、水流力 Fw 、冰 荷载 Fi 、船舶荷载F1 、结构施工检修过程中出现的短期荷载Fs 等。 3 偶然荷载，如地震作用力Fe 、海上漂浮物非正常撞击荷载 F2 等。
海上风电场基础与结构设计研究
海上风电场基础与结构设计研究海上风电场基础与结构设计研究摘要：随着可再生能源的重要性日益凸显，海上风电场作为一种重要的可再生能源发电方式受到了广泛关注。
海上风电场基础与结构设计是建设海上风电场的重要环节，直接影响风电场的稳定性和可靠性。
本文综述了目前海上风电场基础与结构设计的相关研究，并对其发展趋势进行了展望。
1. 引言随着全球能源需求的不断增大和环境问题的日益突出，可再生能源的开发和利用成为当今社会关注的焦点。
风能作为干净、可再生的能源之一，具有巨大的发展潜力。
相比于陆上风电场，海上风电场由于更加稳定的风能资源、更大的发电容量等优势，被认为是未来风电发展的新方向。
2. 海上风电场基础类型及特点海上风电场基础按照结构形式可以分为固定式基础和浮式基础。
固定式基础包括单桩基础、钢管桩基础和灌注桩基础，具有结构简单、施工便捷等优势。
浮式基础分为浮式水泥混凝土基础和浮式钢混凝土基础，具有适应水深大、海上波浪影响小等优势。
3. 海上风电场基础设计的关键技术海上风电场基础设计主要涉及到承载力设计、抗倾覆设计和抗震设计等关键技术。
承载力设计需要考虑水下地质条件、风荷载和水荷载等多个因素，以确保基础的稳定性和安全性。
抗倾覆设计主要考虑台体的重心位置、基础结构的抗倾覆能力等因素，以减小风电场受倾斜力的影响。
抗震设计主要针对海上风电场面临的地震灾害风险，设计适当的抗震措施来提高风电场的抗灾能力。
4. 海上风电场基础与结构设计的影响因素海上风电场基础与结构设计的影响因素主要包括水深、海洋土壤条件、风速、季节性波浪和海水流速等因素。
针对不同的影响因素，需要采取相应的设计措施，以保证风电场的安全稳定运行。
5. 海上风电场基础与结构设计的发展趋势随着风电技术的不断进步和海上风电场的规模不断扩大，海上风电场基础与结构设计也面临着一些新的挑战和发展趋势。
未来的发展方向包括减少基础成本、提高工程建设效率、改善抗风载能力等方面。
6. 结论海上风电场基础与结构设计是保证海上风电场稳定运行的关键环节，需要综合考虑地质条件、风荷载、水荷载等多方面因素。
海上风电基础结构动力分析
作 者简介 ： 李炜 （９ １ ，男 ， 士，工程师 ，主要从事海上风电基础桩土作用及结构疲 劳方面研究 。电子邮箱 ：ｗｉ １＠１３ ０ 。 １８—） 博 ｅｉ ８ ６ －ｍ ｌ ０ ｃ
６ ８
海
洋
通
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３ 卷 １
共 振 响应进行 识别 ，以避 免其 发生 。
１ 引 理
１１ 模 态分析 ．
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海上风电基础结构优化设计
2、固定式基础：固定式基础适用于水深较浅的海域，可分为单桩、多桩和重 力式基础等类型。单桩基础采用一根桩柱支撑风电机组，多桩基础则采用多个 桩柱组成框架支撑风电机组。重力式基础则依靠自身重量固定在海底。
3、设计要求：基础结构应能承受风电机组的重量、水平荷载、垂直荷载等多 种负荷，同时满足疲劳强度、稳定性等要求。此外，基础结构的施工和安装应 简便、经济，并具有较长的使用寿命。
一、海上风电基础结构优化设计 概述
海上风电基础结构优化设计是提高风电运行效率、降低成本的关键。优化设计 的主要内容包括基础结构形式和设计要求、材料选择和施工工艺、监测和验收 标准等方面。
二、基础结构形式和设计要求
1、浮式基础：浮式基础是一种适用于水深较大的海上风电基础结构。它由浮 体、柱状结构和锚链组成，通过锚链固定在海底。浮式基础可有效减少施工难 度，降低成本，并具有较好的抗风浪能力。
其次，海上风电项目的规模和容量不断扩大，对导管架式基础结构的承载能力 和稳定性提出了更大的挑战。因此，研发更大直径、更高承载力的导管架式基 础结构将成为未来的重要研究方向。此外，随着数字化技术和智能控制技术的 应用，对导管架式基础结构的监测和维护也将成为未来的重要发展方向。通过 实时监测和智能控制，可以实现对基础结构的早期损伤检测和预防性维护，提 高整个风电项目的可靠性和经济性。
海上风电是一种清洁、可再生的能源，对于减少温室气体排放、保护生态环境 具有积极的作用。在全球范围内，海上风电项目的发展迅速，成为了绿色能源 领域的重要支柱。而导管架式海上风电基础结构作为支撑风力发电机组的关键 部分，对于整个项目的稳定性和可靠性至关重要。因此，对导管架式海上风电 基础结构进行深入的分析具有重要意义。
（5）调试与验收：完成安装后进行调试，确保整个风电基础结构能够正常运 行，满足设计要求。
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海上风力发电机组基础设计
一、前言
与陆上风电场相比,海上风电具有以下优点：
z风能资源储量大、环境污染小、不占用耕
地；
z低风切变，低湍流强度——较低的疲劳载
荷；
z高产出：海上风电场对噪音要求较低，可通过增加转动速度及电压来提高电能产出；
z海上风电场允许单机容量更大的风机，高者可达5MW—10MW。
海上风力发电机组通常分为以下两个主要部分：
（1）塔头（风轮与机舱）
（2）塔架
（3）基础（水下结构与地基）
z 与场址条件密切相关的特定设计；
z 约占整个工程成本的20%-30%；
z 对整机安全至关重要。
一、前言
支撑结构
二、海上风电机组基础的形式
目前经常被讨论的基础形式主要涵盖参考海洋平台的固定式基础，和处于概念阶段的漂浮式基础，具体包括：
z单桩基础；
z重力式基础；
z吸力式基础；
z多桩基础；
z漂浮式基础
①单桩基础（如图2所
示）
采用直径3～5m 的大直径
钢管桩，在沉好桩后，桩顶固
定好过渡段，将塔架安装其
上。
单桩基础一般安装至海床
下10-20m，深度取决于海床基
类型。
此种方式受海底地质条
件和水深约束较大，需要防止
海流对海床的冲刷，不适合于
25m 以上的海域。
二、海上风电机组基础的形式
图2 单桩基础示意图
二、海上风电机组基础的形式
②重力式基础（如图3
所示）
重力式基础因混凝土沉箱
基础结构体积大，可靠重力
使风机保持垂直，其结构简
单，造价低且不受海床影
响，稳定性好。
缺点是需要
进行海底准备，受冲刷影响
大，且仅适用于浅水区域。
图3重力式基础示意图
二、海上风电机组基础的形式
③吸力式基础
该基础分为单柱及多柱吸力
式沉箱基础等。
吸力式基础通过
施工手段将钢裙沉箱中的水抽出
形成吸力。
相比前面介绍的单桩
基础，该基础因利用负压方法进
行，可大大节省钢材用量和海上
施工时间，具有较良好的应用前
景，但目前仅丹麦有成功的安装
经验，其可行性尚处于研究阶
段；
二、海上风电机组基础的形式
④多桩基础（如图4所
示）
利用小直径的基桩，打入
地基土内，桩基可以打成倾
斜，用以抵抗波浪、水流力，
中间以填塞或者成型方式连
接。
适用于较深的水域。
该设
计还没有得到真正的商业应
用，仅存在于部分试验机组。
图4 多桩式基础示意图
二、海上风电机组基础的形式
⑤悬浮式基础
z可安装于风资源更为丰富
的深海海域（50-200m）；
z设计概念更为广泛；
z建设及安装方法灵活；
z可移动，易拆除；
z常见的概念：柱形浮筒、
TLP和三浮筒。
（图5）
图5 漂浮式基础示意图（NREL）
二、海上风电机组基础的形式
对基础类型选型的影响
z水深
z土壤和海床条件
z外部载荷
z施工方法与条件
z成本
目前世界上的近海风力发电机组大多数都采用重力混凝土和单桩钢结构基础设计方案。
三、基础的设计——设计内容及流程
风电场布局
基础结构设计防冲刷设计
防腐蚀设计运输、安装、连接及维护方案工程图
设计条件
风电机组校核
外部条件
场址勘测
风电机组
施工
三、基础的设计——外部条件
场址勘测
风况测量海况测量
风速风向气压……
波浪
洋流速度、方向
潮位
……
地质勘测
海底地形（水
深）
地层剖面
土壤条件
……
场址条件数据库
分析
极端风速风速分布湍流强度风切变……
波浪能量谱
H、T、V概率分布
风、浪方向分布
……
极端洋流
平均水位
极端水位
……
其他调研
结冰
地震
人类活动
……
海床运动
剪切强度
土壤刚度阻尼
……
结冰程度
地震强度
撞击概率
……
同步
……
项目内容
结果
三、基础的设计——结构设计
场址勘测风电场特定的外部条件近海风力发电机组设计依据
基础设计风电机组设计风电机组的设计依据(如IEC61400-1)
设计条件及载荷工况全系统载荷计算
极限状态分析
结构安全性判定结构设计完成
疲劳分析
NO NO
尾流影响
三、基础的设计——防腐蚀设计（一）海上风机基础防腐蚀设计方法和要求
无论何种结构型式，海上风机基础的结构材料为钢材或钢筋混凝土，其防腐蚀设计应根据设计水位、设计波高，可分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区、泥下区，各区区别对待。
具体实施方案如下：
三、基础的设计——防腐蚀设计•1）对于基础中的钢结构，大气区的防腐蚀一般采
用涂层保护或喷涂金属层加封闭涂层保护；•2）浪溅区和水位变动区的平均潮位以上部位的防腐蚀一般采用重防蚀涂层或喷涂金属层加封闭涂层保护，亦可采用包覆玻璃钢、树脂砂浆以及包覆合金进行保护；
•3）水位变动区平均潮位以下部位，一般采用涂层与阴极保护联合防腐蚀措施；
三、基础的设计——防腐蚀设计•4）水下区的防腐蚀应采用阴极保护与涂层联合防腐蚀措施或单独采用阴极保护，当单独采用阴极保护时，应考虑施工期的防腐蚀措施；
•5）泥下区的防腐蚀应采用阴极保护。
•6）对于混凝土墩体结构，可以采用高性能混凝土加采用表面涂层或硅烷浸渍的方法；可以采用高性能混凝土加结构钢筋采用涂层钢筋的方法；也可以采用外加电流的方法。
对于混凝土桩，可以采用防腐涂料或包覆玻璃钢防腐。
三、基础的设计——防冲刷设计（二）海上风机基础防冲刷设计方法和要求
水流受基础阻挡形成涡旋，进而形成冲刷坑。
海上风机桩基周围的冲刷将极大地威胁了它的安全工作，所以海上风机桩基周围的局部冲刷防护具有很大的必要性。
海上风机基础冲刷防护主要有以下几种方法：
三、基础的设计——防冲刷设计1）桩基周围采用粗颗粒料的冲刷防护方法：采
用大块石头等粗颗粒作冲刷防护
2）桩基周围采用护圈或沉箱的冲刷防护方法：在桩基周围设置护圈(薄板)或沉箱可以减小冲刷深度。
3）桩基周围采用护坦减冲防护：采用适当的埋置深度、宽度的护坦以达到既安全又经济的目的。
4）桩基周围采用裙板的防冲刷方法：桩基周围采用裙板起到扩大沉垫底部面积作用，将冲刷坑向外推延。
四、东海大桥海上风电场基础设计
东海大桥海上风电
场是中国第一个真正意
义上的海上风电场地，
总装机容量102MW。
风电
场海域范围距离岸线8～
13km。
可能面临的挑战：
1.高海水流速；
2.松软的地质条件。
图6风电场地理位置图
四、东海大桥海上风电场基础设计认证可能应用到的依据：
1.IEC61400-3：2006；
2.DNV-OS-J101: 2004；
3.GL Guideline（2005）；
4.《海港水文规范》JTJ 213-98；
5.《港口工程荷载规范》JTJ 215-98；
6.《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法工作应力设
计法》SY/T 10030-2004；
7.《港口工程桩基规范》JTJ 254-98；
8.《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275-2000；
9.《风电机组地基基础设计规定》（试行）FD 003-2007；等等
四、东海大桥海上风电场基础设计
1. 场址勘测及设计条件评估 4. 风电机组载 荷校核评估
外部条件 风电机组 设计条件 风电机组校核 场址勘测
风电场布局
2. 载荷计算评估 3. 结构强度评估
防冲刷设计
防腐蚀设计
基础结构设计
5. 防腐蚀设计评估
工程图
运输、安装、连接 及维护方案
6. 防冲刷设计评估
施工
21
谢谢！
22
。