海上风力发电技术及研究

一、海上风力发电技术的概述

海上风力发电技术指的是利用海上风力资源进行发电的技术，通过对风力资源的运用，制造电能，并投入应用，缓解国家电力资源紧缺的问题。海上风力发电技术涵盖了能量转换设备的设计研发、海上风力发电电能的传输、发电设备的安装施工、海上风力电场的运维管理及供电网络的建设等。虽然早在20世纪70年代就有人提出要运用海上风力进行发电的想法，但是因为当时科学技术发展水平低下，所以这一想法并没有得到实践，直到上世纪末才真正开始开展海上风力发电建设。与陆地风力发电技术相比较而言，海上风力发电技术不管是在施工地质环境方面还是在工程技术方面都具有较高的复杂性，需要就海水影响、波浪冲击、海水腐蚀、风向变化等因素进行细化分析与研究。并且，由于特殊的工程环境、运输、施工及有关运维技术等因素，导致国内海上风力发电场建设没有成熟的经验做参考，因此在这方面的投资回报率存在较多的不确定性，也正是如此阻碍了海上风力发电技术的发展。

二、海上风力发电基础设计及关键技术

1.海上风力发电技术基础设计

海上风力发电设备需要具备较高的稳定性和一定的承重能力，只有如此才能够更好地对海上风能进行捕捉和转化，因此在开展基础设计的过程中，要考虑设备的稳定性和承重能力，使之能够在复杂的海上环境中得到持续运行。当前这方面的设计通常有两种形式，即悬浮式形式和固定式形式，前者的基础设计是在海水深度高于五米的状况下，依据海上石油天然气开采平台的建设技术进行设计的，当前并没有形成成熟的实践运用体系。由于海床工程面临不同的地质条件，且海水深度存在差异，所以固定式基础的具体结构又能被划分为很多其它的形式。

2.桩基式基础原理及技术

在现有情况下已经建成的海上风力发电场中，桩基式应用占有的比例最大，特别是单桩式基础，更是得到了广泛运用。主要原因在于这一形式对施工技术没有过高的要求，且施工流程较为简单。单桩式基础材料运用大径空心柱形钢管，借助大功率的打桩设备嵌入到海床中，为了促进风电设施的稳定持续运行，应当确保单体式钢管的直径处于六米以内，且可以适用于30米以内深的海水。不过因为受到海风、海水、风机荷载等因素的限制，这种形式对海床工程地质的要求往往较高，并且因为现有状况下我国海上风力发电机组单机容量不断提升，单桩的直径过大，所以会导致其经济性变差，并面临较大的技术难题。也正是如此，在实践中又演化出了导管架、单立柱三桩、多桩承台式等桩基式基础，借助多样化的结构形式不断提升对荷载变化、地质条件等的适应性。而导管架式基础因为经济性较高，且适用性强，所以得到了人们的普遍运用，多桩承台式基础则在海上天然气和石油开采中得到了大量运用。

3.重力式基础原理及技术

重力式海上风力发电技术指的是在传统码头和船坞技术基础上，依据风电设备具体的运行和安装需求改进而成的技术，其不管是基础设计，还是运输、预制、安装技术等都较为成熟。该技术的原理是运用基础材料和风电设备的重力推动发电设施在海床中稳定运行，所以在对技术参数进行设计的过程中，要对风电设施运转和环境载荷进行计算。现有状况下重力基础的运用主要受到海床工程地质条件、海水深度等因素的限制，第一，因为重力式基础需要较高的稳定性，所以要求海床天然结构应当较为坚实，且在预制的基础沉入海底之前应当及时对海床进行预处理。因为现有状况下我国近海海床往往存在于软土层中，所以这方面的成本相对较低。第二，因为受到经济性和技术条件等的限制，现有状况下重力式基础的运用范围仅是深度低于十米的海域中。

4.负压式基础原理及技术

由于重力式基础在运输和预制方面面临一定的限制，所以科研人员考虑采用外力对风电设施和海床进行固定，也正是如此设计了桶式结构的基础，且安装之后在桶式基础的空腔内制造负压，使基础依据负压的作用被吸附于海床中。在对该技术形式进行运用的过程中，所面临的主要阻碍就是海床附近海水的腐蚀和海水冲刷，由于运用负压固定在海床中的基础一旦外力受到损坏，那么就会对风电设施的稳定性带来不利影响，所以当前该形式还没有在海上风电场中得到广泛运用。

三、海上风力发电技术的前景

1.新型海上风力发电机日益发展

在建设海上风力发电场的过程中，应当重点关注风机基础。当前在技术快速发展的过程中，单机容量也日益加大，新型大功率发电机逐步开始取代小型发电机，随着技术的日益完善，将会推动海上风力机的不断研发与运行。在此背景下，新型海上风力发电机的发电性能会得到不断优化，并采用减少桨叶数量的方式降低安装成本，其它有关的风力发电机设备如防腐设备等也会得到持续深入发展。并且海上风力发电机对这些设备有较高的运用需求，以此更好地适应海上潮湿易腐的环境，所以这会在很大程度上推动海上风力发电行业的发展。

2.海上风力发电技术更为超前

海上风力发电场建设在近年来才得到了快速发展，尤其是在2015年新增装机容量与2014年相比有了98%的增长。不过虽然其技术得到了增长，但并不能说明该技术已经完全成熟，在风电场建设经济性问题的解决上依然面临较大的技术缺陷，例如，为了使工程有更高的经济性而持续对风电机组的容量进行扩大，但当前依然难以突破5MW，并且在海上电场的维护和运行中也存在诸多技术难题。在未来发展中会采用智能化技术手段提升风机运行的效率和稳定性，并对电场运行故障进行远程诊断，借助高科技手段对电场建设中存在的工程技术问题进行解决。同时还会采用新工艺和新材料提升发电设备的工作性能、运行的可靠性等。

3.海上风力发电从浅海向深海蔓延

虽然海上风力发电具有较高的难度，且对设备的安装成本较高，但是其属于对可持续能源的探索和运用，具有较高的运用价值，也是值得探索和研究的方向。加之我国当前面临着严重的能源短缺问题、环境保护问题等，所以未来海上风力发电将会得到普及，其发展也会取得更为理想的成效。与此同时，当前潜水域的风力发电已经难以满足风能发展的需要了，有待进一步提升风力发电技术的研发深度，使之向深海领域持续进军，深海领域风力发电技术将会成为未来风力发电的重要方向。

四、结束语

海上风力发电技术作为一种对可持续能源进行运用的技术，其是否能够得到长远发展，直接关系到国家能源的运用成效，影响着社会乃至全球能源发展及环境保护，所以未来还有待进一步对海上风力发电技术进行探索。文章对海上风力发电基础设计及关键技术进行了分析，并对海上风力发电技术的前景进行了展望，旨在为相关人员提供参考，并明确我国海上风力发电技术的发展方向。

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