风电泰斗和他的漂浮式海上风机基础
两种不同基础的漂浮式风机载荷对比分析
Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｏａｄｓ ｏｆ Ｔｗｏ Ｔｙｐｅｓ
ｏｆ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ
ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇｌｉａｎｇꎬ ＷＵ Ｊｕｎｈｕｉꎬ ＸＵ Ｙａｎｇｙａｎｇꎬ ＬＡＩ Ｊｉｎｇｊｉｎｇ
( Ｓｉｎｏｖｅｌ Ｗｉｎｄ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７２ꎬ Ｃｈｉｎａ)
farreachingsea?windturbineunit?offshorewindpower?floatingwindturbine与陆上风电场开发相比?深远海具有范围更广风能资源更丰富风速更稳定风速更高的优点?且不会与海上渔场航线等发生冲突?对人类生产生活的环境影响较小?发展海上风电具有得天独厚的优势?必将成为未来全球风电开发的重要方向?全球80的海上风资源位于水深超过60m的海域?这对固定式基础风机是巨大的挑战?目前?世界上建成的海上风电场绝大多数为近海风电场?相对于传统的海床固定式海上风电机组?漂浮式海上风电机组可以安装到具有强风的远洋深处?因此风能利用大幅提升1?2009年挪威石油公司在挪威海岸附近的北海220m水深环境中试运行第一台漂浮式机组hywind?2017年第一个海上风电场hywindii在英国诞生?实现了浮式风机商业化的突破?漂浮式风机早已走出概念设计和实验室研究的阶段?出现了各式各样的型式?漂浮式风电场示范项目近几年也不断涌现?随着海漂浮式技术的快速成熟?漂浮式海上风电将很快实现大规模商业化?表1为已经建设和即将要建设部分漂浮式风电场项目?海上风电机组设计开发是一项比较复杂的工程?尤其是漂浮式风电机组?涉及到风浪流复杂恶劣的环境?对技术的要求较高23?载荷计算是海上风电机组开发首先要解决问题?准确的载荷计算对评估结构的安全性非常重要?56水电与新能源2020年第2期表1部分已经和即将投产风电场项目表mw项目名称装机容量单机容量基础形式国家地区预计投产时间hywindscotland306spar单柱式英国2017windfloatatlantic258semi半潜葡萄牙2019flocan5canary2558semispar半潜单柱式西班牙2020nautilus55semi半潜西班牙2020seatwirls2垂直轴11未知瑞典2020kincardine488semisemispar英国2020forthwindproject两叶片12双体船英国2020efgl246semi半潜法国2021groixbellelle246semi半潜法国2021flgwindfarm248tlp法国2021eolmed256
海上风电机组基础结构-第五章PPT课件
第五章：浮式基础
海上风电浮式基础的发展
1994年英国的Garrad Hassan等人对在采用悬链线系泊的Spar 平台上设置单涡轮风电机组的方案进行了评价，这是最早针 对风电机组浮式基础开展的详细研究。
2006年在挪威的Marintek，第一个真正意义上的以Spar为基础 的风电机组概念模型正式出现。
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5.2 浮式基础的一般构造及设计要点
锚链系统
锚固系统的弹性程度取决于锚链的重量和预紧力，得到最佳的预紧力 并选取相应的锚链规格，应按不同组合进行模型试验，记录相应峰值， 然后通过综合分析，确定最大链力Fmax。
最大链力确定后，可以计算出所需锚链的长度；对于搁置于水平海底 上的锚链长度，可按下式计算：
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5.1 浮式基础结构型式及其特点
半潜式基础
半潜式基础通过位于海面位置的浮箱 来保证风电机组在水中的稳定，再通 过辐射式不知的悬链线来保证风电机 组的位置。
半潜式基础的浮箱平面尺寸较大，高 度较小，依靠浮箱半潜于水中提供浮 力支撑，浮箱平面尺寸足够大，以保 证风电机组抗倾稳定性。
根据选定锚链的w和已知的H、T可求得l和L。
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锚链受力在平面上的分解
5.2 浮式基础的一般构造及设计要点
浮式基础设计
海上风电机组浮式基础设计步骤
总体尺寸规划； 水静力分析； 稳性分析； 水动力分析； 结构设计（构件尺寸、桁架和塔柱的强度及疲劳分析等）
影响浮式基础强度和安全的载荷因素
也不能无限制地拉紧，否则，其吸收外荷载作用在浮箱上的动能能力将变小。
锚链预紧力的控制方法是使锚链与浮箱底水平面夹角 为设计角度， 一般
为 50°～55°，此时系泊力最小。
海上风电机组基础结构-第五章详解
5.1 浮式基础结构型式及其特点
5.1.3 半潜式基础
半潜式基础通过位于海面位置的浮箱 来保证风电机组在水中的稳定，再通 过辐射式不知的悬链线来保证风电机 组的位置。 半潜式基础的浮箱平面尺寸较大，高 度较小，依靠浮箱半潜于水中提供浮 力支撑，浮箱平面尺寸足够大，以保 证风电机组抗倾稳定性。
可分为Spar式、张力腿式和半潜式三种结构型式。 5.1.1 Spar式基础 Spar式基础的上部主体是一个大直径、大吃 水的具有规则外形的浮式柱状结构，主体中 有一个硬舱，位于壳体的上部，用来提供平 台的浮力。中间部分是储存舱，在平台建造 时，底部为平衡稳定舱。 当平台已经系泊并准备开始生产时，这些舱 则转化为固定压载舱，用于吃水控制。中部 由系泊索呈悬链线状锚泊于海底。系泊索由 海底桩链、锚链和钢缆组成。锚所承受的上 拔荷载由打桩或负压法安装的吸力式沉箱来 承担。
5.1 浮式基础结构型式及其特点
张力腿式基础
张力腿式基础是利用绷紧状态下的锚索产生 的拉力与平台的剩余浮力相平衡的。
张力腿式基础也是采用锚泊定位的，但与一 般半潜式平台不同，其所用锚索绷紧成直线， 不是悬垂曲线，钢索的下端与水底不是相切 的，而是几乎垂直的。用的是桩锚（即打入 水底的桩为锚）或重力式锚（重块）等，不 是一般容易起放的抓锚。
5.2 浮式基础的一般构造及设计要点
锚链系统
锚固系统的弹性程度取决于锚链的重量和预紧力，得到最佳的预紧力
并选取相应的锚链规格，应按不同组合进行模型试验，记录相应峰值，
然后通过综合分析，确定最大链力Fmax 。 最大链力确定后，可以计算出所需锚链的长度；对于搁置于水平海底
上的锚链长度，可按下式计算：
海上风机基础形式
海上风机基础形式介绍如下：
一、单桩式基础
单桩式基础是最早也是最简单的一种海上风机基础形式。
它的原理是在海底钻孔后，将一根或多根桩驳入海底，形成一个单桩或者多桩的基础支撑系统。
该基础形式适用于比较浅的海域，桩身一般要求较粗，以满足在海洋环境下的稳固支撑。
优点是安装简单、成本较低，缺点是承载力较小、易受海底地质条件和海浪影响，而且不适合深水区的风电场。
二、桶式基础
桶式基础是一种较新的海上风机基础形式，它是将一种可以漂浮的桶状物质放置在海底或者浮标上，并以桶自身的重量或向下排水来产生足够的稳定力支撑风机。
该基础形式适用于水深较深，基础不易沉入海底的场合，可以大大减少安装的难度和成本。
然而，由于该基础的尺寸较大，在运输和装配方面会存在一定困难。
三、吊装式基础
吊装式基础是一种相对比较常见的海上风机基础形式。
它的原理是在海底先钻好一个孔，再将整个基础系统通过吊装机构放置在孔里。
该形式的设计使其能够适应不同水深和地质条件，同时也提高了基础的承载能力。
由于需要吊装机构的配合，它的装配难度和成本较高。
四、桩框式基础
桩框式基础是一种兼具单桩式基础和框架式基础的特点的海上风机基础形式。
它的基本结构是一组互相平行的桩体形成的桩群，在桩群
的顶部固定一个框架，风机塔身在框架上安装。
该基础形式适用于在较小的面积内固定多台风机，同时也可以降低风机维护和维修的成本。
我国海域漂浮式风电机组基础适用性分析
我国海域漂浮式风电机组基础适用性分析文|周昊，侯承宇，李辉，董晔弘深海风电场具有风速高、风切变低、湍流程度小等优势，对海上航道的影响也较小。
近年来，欧、美、日等地区和国家逐步将漂浮式海上风电技术作为研发重点。
在国外，漂浮式海上风电市场正从小规模单台样机（2009―2015年）向小型示范风电场转变。
目前，在世界范围内已建成并具有一定知名度的漂浮式样机和小型漂浮式示范风电场如表1所示。
此外，欧洲还有数十个漂浮式风电示范项目正在建造和核准中。
可见，漂浮式风电技术正在成为领跑海上风电领域的前沿技术和研究热点。
我国漂浮式风电机组的研究起步相对较晚，目前国内还未见样机。
从2013年开始，在经历了国家863计划支持的由湘电风能开展的“钢筯混凝土结构浮式基础研制”和由金风科技牵头开展的“漂浮式海上风电机组基础关键技术研究及应用示范”之后，国内积累了一些技术储备。
随着国家加大政策的支持力度，“十三五”期间国内漂浮式风电机组的研究热度逐渐提升。
据统计，目前，国内潜在的样机示范项目如表2所示。
漂浮式风电机组基础是漂浮式风电机组设计中的重要组成内容。
漂浮式风电机组由于体型巨大，且长期承受风、浪、流等各种复杂载荷的作用，因而对漂浮式风电机组基础的各方面性能提出了更高的要求。
本文结合我国海域漂浮式风电场适用区域和漂浮式风电机组基础选型需要考虑的因表1 全球漂浮式样机和小型漂浮式示范风电场统计类型国家项目名称示范年份容量基础型式单台样机挪威Hywind demo2009 2.3MW Spar单台样机葡萄牙WindFloat demo20112MW Semi 单台样机法国Ideol20182MW Barge 单台样机日本GOTO20112MW Spar 单台样机日本Fukushima Forward20132MW Semi 单台样机日本Fukushima Forward20167MW Semi 单台样机日本Fukushima Forward20175MW Spar 单台样机日本Ideol2018 3.2MW Barge 小批量英国Hywind Scotland201730MW Spar 小批量葡萄牙WindFloat202025.2MW Semi表2 国内漂浮式示范样机项目统计开发商整机厂商机位点机组功率计划示范年份基础型式三峡明阳智能广东阳江海域 5.5MW2021Semi龙源电力上海电气福建莆田海域4MW2021Semi 上海绿能华锐风电&上海电气东海海域6MW&3.6MW2021TLP&Semi 中国海装中国海装广东湛江海域5MW2021Semi102 风能 Wind Energy素，对我国海域漂浮式风电机组基础适用性进行分析，以期为漂浮式风电机组在方案设计阶段选出合适的基础型式。
海上风机基础结构
海上风机基础结构引言：随着可再生能源的快速发展，海上风电作为一种清洁、可持续的能源形式，受到越来越多国家的重视与发展。
而海上风机作为海上风电的核心设备，其基础结构的稳定性和可靠性对于海上风电的运行起着至关重要的作用。
本文将对海上风机基础结构进行详细的介绍与分析。
一、单桩基础结构单桩基础结构是最早应用于海上风机的一种基础形式。
它的特点是在海底打入一根巨大的钢管桩，通过桩身与海底形成稳定的支撑。
这种基础结构具有施工简单、成本较低的优点，适用于水深较浅的海域。
然而，由于单桩基础结构的支撑面积较小，容易受到波浪和风力的影响，稳定性相对较差。
二、桁架基础结构桁架基础结构是一种较为常见的海上风机基础形式。
它由多个钢管桩和水平连接构件组成，形成一个稳定的框架结构。
桁架基础结构能够承受较大的风力和波浪力，具有较好的稳定性和可靠性。
此外，桁架基础结构的设计还考虑了施工和维护的便利性，能够减少安装和维护的难度。
三、吊装式基础结构吊装式基础结构是一种相对较新的海上风机基础形式。
它的特点是通过将风机组件的整个基础结构在陆上预制完成后，再通过起重设备将其吊装到海底的预定位置上。
吊装式基础结构的优点是施工便利、安装速度快、可重复使用等。
然而，由于吊装式基础结构需要较大的吊装设备和高强度的材料，造价相对较高。
四、沉箱式基础结构沉箱式基础结构是一种将混凝土箱体沉入海底作为基础的形式。
这种基础结构具有稳定性高、耐久性好的优点，能够适应不同水深的海域。
沉箱式基础结构的施工相对复杂，需要专业的工程设备和技术支持，因此造价较高。
五、承重式基础结构承重式基础结构是一种相对较新的海上风机基础形式。
它通过将风机的基础结构与风机塔筒进行结合，共同承担风力和波浪力的作用。
这种基础结构具有结构简单、稳定性好的优点，适用于浅海和中等水深的海域。
然而，承重式基础结构的设计需要充分考虑风机塔筒的结构强度和稳定性，以确保风机的运行安全。
结论：海上风机基础结构的选择与设计直接关系到海上风机的稳定性和可靠性。
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风电泰斗和他的漂浮式海上风机基础
随着海上风电向深海远海发展，对水深超过50米的海上风电项目，安装和运维的
成本居高不下仍然是一个主要问题。对这些深远海海上风电项目，为减少其生产，安
装和运维成本，在固定式基础持续进步的同时，这些年，漂浮式海上风机基础已经逐
渐渐发展起来，并走出试验阶段，走向商业化应用了。
最近的一则消息称，丹麦技术大学DTU，及两家丹麦企业DHI和
StiesdalOffshoreTechnology正在合作进行一项叫作LIFES50+的测试，用以测试下一
代漂浮式海上风电基础，该基础叫TetraSpar，是由Stiesdal公司发明的。6月20日，
该测试项目举行了现场示范。这是DTU风能团队在DHI海上波浪盆地进行的漂浮式风
力发电机基础的第四次测试活动。
该漂浮式基础使用DTU的10MW风力发电机进行1:60比例模型测试，并考虑
两个浮子配置。漂浮式风电机在许多运行和生存条件下经受风浪和波浪考验。
模型测试活动LIFES50+的目标是提供TetraSpar基础的概念证明，并提供该
领域的实验测试和数据分析技术。该项目由欧洲地平线2020计划资助，由挪威公司
SintefOcean领衔。DTU风电系主导数字建模活动，并参与该项目。来自风电行业，研
发和咨询机构的12个合作伙伴共同参与创建新的漂浮式基础结构概念。
DTU和DHI在风电行业都鼎鼎大名，StiesdalOffshoreTechnology是何方神
圣?
这个公司的创始人HenrikStiesdal是名副其实的风电前辈，以下关于他的资
料（斜体字部分）来源来维基百科。
1978年，HenrikStiesdal（与KarlErikJørgensen一起）设计了代表“丹
麦概念”的第一台风力发电机之一。1979年，他将该设计授权给了维斯塔斯公司，当
时，维斯塔斯公司是一家丹麦制造企业，生产农用货车、卡车起重机和船用冷却器。
Stiesdal的设计形成了维斯塔斯公司崛起成为风力发电机领先制造商的基础。
Stiesdal开始在维斯塔斯担任顾问，之后于1983年加入公司担任项目经理。1987年，
Stiesdal加入丹麦风力发电机制造商BonusEnergyA/S作为开发专家。1988年，他成
为技术经理，2000年担任首席技术官。2004年，BonusEnergyA/S被德国技术公司
Siemens收购。Stiesdal成为西门子风力发电的首席技术官，并于2014年底退休。在
他的职业生涯中，Stiesdal已经发明了超过175项发明，已经获得650多项有关风力
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发电技术的专利。
2014年HenrikStiesdal从西门子风电首席技术官的位置退休后，创立了
自己的公司StiesdalA/S，并设计了新一代漂浮式海上风机基础。HenrikStiesdal发
明的下一代漂浮式基础如下图。在2016年10月美国海上风电大会上，HenrikStiesdal
作为演讲人，展示过TetraSpar漂浮式海上风机基础的设计。而且，HenrikStiesdal
并未对此漂浮式基础设计申请专利保护，任何人都可以尝试在此基础上进行设计改进。
风电工程与发展杂志2017年第4期刊载了一篇“2017年度发明家
-HenrikStiesdal”的文章，在该文中，HenrikStiesdal回答了关于海上风电的三个问
题。
1.当前海上风电行业面临的最大挑战是什么？
这个行业面临的最大挑战其实与技术或行业本身并没有直接关系，而是与可
再生能源生产的整体特征相关。在风电渗透率高的国家和地区，能源生产的间歇性越
来越被视为进一步发展的障碍。因此，我们需要发展储能和相关联网技术。
此外，我们目前正在实施必要的工业化进程，行业正经历转型，从继承于海
上石油和天然气行业的较高成本水平，转向真正工业化的产业。这是一个正在进行中，
还没有完成的过程。
次要因素也可能成为真正的挑战，包括鸟类和海洋哺乳动物的问题。我们需
要尽量减少对环境的影响，并为迁移鸟类制定强有力的威慑手段。
2.谁将是未来海上风电市场之王？
对于风电整机制造商而言，谁拥有市场上最大，最强和最具竞争力的风电机，
谁就拥有未来。当然，还需要坚实的财务基础。在当前阶段，市场上还没有哪家企业
具备实力挑战“三巨头”，包括Siemens，MHIVestas和GE。
对于基础设施供应商来说，要看工业化进程的速度，果断地把业务从石油和
天然气转向风电。未来属于那些转型最快的企业。
对于开发商来说，需要持续关注成本，探索各级基础设施和执行方面的创新，
避免突发事件堆积在一起。
3.如何使当前的技术更有竞争力？
海上风电能源成本急剧下降是各种因素的结合。主要的技术驱动因素一直是
更大的风电机，更大的数量和专门的供应链工业化，另外，在海上风电项目中采用招
标方式也有助于提高竞争力。
HenrikStiesdal认为在海上风电行业，未来需要关注一些重要的技术改进：
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-工业化的风机基础（固定式和漂浮式）
-66kV电网连接，包括或不包括海上升压站
-空气动力学的改进，包括主动系统，进一步提高每个负载的AEP比例
-前向测风工具的改进，以防止转子侧最大的操作极端负荷-基于雷达的控制
-变流的改进