1.1 海上风电场与海上测风塔
风能与太阳能、潮汐能、生物质能、核能和地热能等组成了新能源，是常规能源之外的能源形式，也称作非常规能源。对人类而言风能是一种清洁能源，它的利用方式有很多种，以风电为主。风力发电是借助一定的工具、媒介或设备将风能转化为机械能，而后将机械能转化为电能的过程，这些设备与工具统称为风力发电机组。由风力发电机组、塔架、塔架基础、输变电设备、附属建（构）筑物等组成了风电场。风电场的规划、设计和建设离不开测风塔，二者相互联系密不可分。
本节首先介绍风力发电特别是海上风力发电的特点和总体情况，然后介绍利用海上风能发电的海上风电场，最后介绍海上测风塔和其主要作用。
1.1.1 海上风力发电概述及特点
1.我国海上风能状况
从20世纪70年代至2006年期间，我国先后组织开展了三次全国风能资源普查。在此基础上，于2008年由中国气象局牵头正式启动了“全国风能详查与评价”项目。评价结果显示，我国风能资源丰富，陆上50m高度层年平均风功率密度大于等于300W/m2的风能资源理论储量约73亿kW。具体而言，我国陆上50m、70m、100m高度层年平均风功率密度大于等于300W/m2的风能资源技术开发量分别为20亿kW、26亿kW和34亿kW［1］。
详查和评价结果进一步表明，我国山东省、江苏省和福建省等地沿海分布有风能资源丰富的广阔区域，适宜规划建设大型风电基地。台湾海峡风能资源最丰富，其次是广东省东部、浙江省近海和渤海湾中北部，相对而言近海风能资源较少的区域分布在北部湾、海南岛西北、南部和东南的近海海域。若从总体上了解我国海上风能概况，一方面应关注我国海上风能的总储量与总开发量，另一方面还应考量我国毗邻海区风能的时空分布和变化。
我国毗邻海域的多年平均风速整体上显示为东海和南海平均风速大于黄海和渤海平均风速。台湾海峡由于具有狭管效应及海陆分布的局部特点，在中国毗邻海域中为大风速海区，平均风速在10m/s左右。在黑潮主轴海域、吕宋海峡和对马海峡海域风速也较大，平均风速在8m/s以上。黄海和渤海沿岸的平均风速约为6m/s，而东海和南海沿岸的多年平均风速在7.5m/s以上。渤海北部辽东湾海域的平均风速在6.7m/s左右，为渤海的大风速海域。长江口沿岸的舟山海域，风速平均值较外海更大，约为8m/s［2］。
我国近海浅水区域海面风能密度具有明显的季节变化，12月我国近海平均风速达到最大，其中水深小于60m的海域平均风能密度为434W/m2，11月和翌年1月各浅水区域平均风能密度相当。我国近海浅水区域冬季（11月、12月、翌年1月）风能密度较大，主要由于冬季在欧亚大陆高压的作用下，我国沿海浅水区域的局地风速由西伯利亚高压和阿留申低压作用而形成的强劲冬季风而决定。夏季（5月、6月、7月）风能密度较小，5月风能密度在我国近海浅水各区域达到最小值，其中水深小于30m的海域平均风能密度为101W/m2，为各区域各月份最小值，但仍大于100W/m2［2］。
2.海上风力发电概述
根据我国《可再生能源发展“十二五”规划》，到2015年，累计并网风电装机容量达到1亿kW，年发电量超过1900亿kW·h，其中海上风电装机容量达到500万kW。截至2015年年底，已建成投产海上风电场约66万kW，“十二五”期间海上风电实际完成量约占规划目标的15%。2014年12月，国家能源局出台了《全国海上风电开发建设方案（2014—2016年）》，该方案包含8个沿海省（自治区、直辖市）44个项目，总容量1053万kW。目前已有14个项目核准，总装机容量约291万kW，30个项目正在开展前期工作，总装机容量约762万kW。根据《国家应对气候变化规划（2014—2020年）》，到2020年，我国累计并网风电装机容量达到2亿kW，年发电量超过3900亿kW·h，其中海上风电装机容量达到3000万kW。
海上风电相对于陆上风电而言优势非常明显，但当前阶段我国海上风电发展也面临着许多问题。首先，海上风电规划海域与其他部门的海域规划存在重叠冲突，导致风电场用海面积减小、选址变化、海缆路线变动、成本增加等情况时有发生。海上风电发展除应注意海洋局和地方规划部门对于海洋及近海区域发展规划的协调之外，还需注意与军事用海的协调［3］。其次，海上风电设计技术尚未成熟、施工装备水平低、安装能力弱，无论是相关设计技术方面还是海上安装设备、风机制造技术等方面均处于起步阶段，且我国具有特殊的地质条件和建设工程特点，不宜直接照搬国外海上风电建设技术。再次，海上风电的建设维护成本高、不可控的影响因素多，相对于陆上风电开发而言风险性较大。国家发改委于2014年下发关于海上风电电价政策的文件，规定2017年以前，投运的近海海上风电项目上网电价为0.85元/（kW·h），潮间带风电项目上网电价为0.75元/（kW·h），这对于合理的评估海上风电开发项目的投资风险具有重要的指导意义。
3.海上风力发电特点
随着陆上风电场开发经验的积累和大型风力发电机组生厂商技术的进步，风电行业的开发逐步由陆上过渡到海上。由于海上风电所特有的相对优势，进而得到了各国政府的大力支持和推进，全球范围内海上风电事业正在蓬勃发展。
相对于陆上风电而言，单从电量产出角度来看海上风力发电的优势非常明显，主要包括以下方面：
（1）表面粗糙度小。国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）中指出，近海海面和海岛、海岸、湖岸等地区为A类粗糙度，田野、乡村、丛林、丘陵等地区为B类粗糙度。由此可知海上的粗糙度远小于陆上，海上风切变小，风速沿竖向分布变化较小，可在较低的高度上获得等量的风速，或在同样的高度上获得更大的风速。这就使得海上风力发电机组的塔筒高度相对陆上而言要低一些，可节省其造价和安装费用。
（2）湍流强度小。海上的昼夜温差和季度温差相对于陆上要小得多，这便使得海上空气的湍流强度相对比较小。针对风力发电机组而言，湍流为风力发电机组叶轮扫略面范围内风速分布和风向改变的量值表征，湍流强度小使得风力发电机组受力变异性小，对于风力发电机组的叶片、塔筒和其基础结构的疲劳寿命较为有利。
（3）阴影效应小。风力发电机组阴影区的风能较小，湍流较大，风电站建设时风力发电机组平均分布距离为3～9倍转轮直径。由于海面相对高的光滑性，海面上风速切变也相应很低，风速在垂直方向上变化并不是很大，因此在海上可以建设大约为转轮直径0.75倍的较低风塔，而陆上风塔的高度通常接近于转轮直径或更高一些，这样海上风力发电机组平均分布间隔也比陆上风力发电机组要小一些［4］。
（4）经济效益高。研究资料表明，相对于陆上风场，离岸10km的海上风速通常比沿岸陆上高25%［5］。海上风速高，且静风期短，风力发电机组发电的利用小时数高。海上风电场更适合建设大型单机容量的机组，目前主流为5MW机组，因此海上风能的利用效率更高，对降低单位千瓦的投资非常有利，海上风电具有明显的经济优势。此外，海上风电场位于我国沿海发达地区，电量可以就近消纳，而不需要额外的高电压传输线路投资。
（5）对人居环境的影响相对较小。随着社会人口的增多、人类居住面积的改善和工业化的发展，土体资源变得更为稀缺，而海上风电建设不需要占用陆地面积，可节省土地资源。对人类居住的陆上生态和自然环境的影响也不存在，从而不会产生视线影响和噪声污染等问题。
客观整体上来看，海上风电场的投资成本要远远高于陆上风电场的，其维护费用也远远高于陆上风电场的。将风电场作为一个整体按照投资风险分析和评估后方能得出孰优孰劣的经济性评价。
4.海上风力发电的环境问题
尽管海上风电的建设避开了陆上环境和人类居住环境的影响，但也会带来新的关于海洋环境、生态和海洋产业等方面的影响。
（1）对通航的影响。海上风电场的规划选址中一般都尽可能避开已有航线，但避开的距离大小各不相同。在正常的通航条件下，航线附近存在风电场并不会对通航产生较大影响，因为船舶的雷达系统和风力发电机组的报警装置将起到相应的预防作用。但在大雾等恶劣天气以及船舶失控状态下其碰撞的概率将会大幅提高。
（2）对海洋生态的影响。海上风电对海洋生物的影响主要指其对鱼类和鸟类等海生物的影响。至于海上风电场是否会对该海域的鱼类产生影响，例如是否会影响鱼群的数量、洄游、产卵、生长等，目前的研究还缺乏足够的结论，但一般倾向于对鱼类的生存和数量无关键性的影响［6］。但部分情况下产生的影响可能远大于人们的直观想象，如我国珠海桂山海上风电场，距离中华白海豚国家级自然保护区只有2.5km，目前由于海洋环评的问题而导致项目停滞。环评显示，风力发电机组桩基施工产生的高频噪声会影响中华白海豚的听觉，导致其觅食和社交活动受到干扰，水质污染会通过食物链影响白海豚的健康，还容易使其皮肤受感染［7］。此外，风力发电产生的噪声和电磁场会干扰鸟类的飞行路线。
（3）对原海床的影响。海上风电建设会改变风力发电机组基础结构附近的海流流态，在基础结构前后位置产生尾涡和马蹄涡，涡旋使得海床面产生冲刷，部分海床颗粒会被带走。当原始海床面存在一定坡度情况下，严重时会影响整个海底岸坡的滑动稳定性，从而导致海床面的大范围改变。
1.1.2 海上风电场
与陆地风电场相对应，处于海洋环境条件下，受到海风、波浪、潮汐、水流、海冰等综合影响下，由一批风力发电机组或风力发电机组群组成的电站称为海上风电场。海上风电场也指在沿海多年平均大潮高潮线以下海域开发建设的风电场，包括在相应开发海域内无居民海岛上开发建设的风电场。
根据2009年我国颁布的《海上风电场工程前期工作管理办法》，海上风电场工程前期工作管理包括海上风电场工程规划、预可行性研究和可行性研究阶段工作的行政组织管理和技术质量管理。海上风电场工程建设项目应坚持先规划、再前期、后建设的原则。
在介绍海上风电场类型之前首先需要明确海岸带的组成。海岸带是陆地与海洋相互作用最活跃的地带，它将陆地与海洋分开，又将陆地与海洋连接起来，对它的理解和划分有许多不同的观点。一般将其定义为特大风暴潮增水等使海水作用能抵达的陆地最高处至海底波浪作用能到达的近海海域之间的带状地带，由海岸、海滩和水下岸坡等3部分组成，如图1-1所示［8］。
图1-1 海岸带示意图［8］
海岸又称潮上带，是指与海洋相邻接触的陆上岸带。海面与陆地接触的交界线就是海岸线，由于海洋动力的作用，海岸轮廓总是处在不断变化之中，海岸线不是固定不变的，它随水面高程、潮位升降、风引起的增减水等海水运动而发生移动。垂直方向的海面升降幅度能达到10m以上，水平方向的进退有时能达到数十千米。当取平均海面下的水陆分界线作为海岸线时会造成海岸线有一半时间被海水淹没，为此，一般取多年平均高潮位的水陆交界线为海岸线。这样，位于平均高潮线以上的海岸在平时的大部分时间都露出海面，不会受到风浪和潮波的作用，只有偶尔遇上特大风暴和特大高潮时才会被淹没［8］。
海滩又称潮间带，处于潮汐涨落的频繁作用之中，是平均低潮位到平均高潮位之间的地带。水下岸坡又称潮下带，是波浪作用开始处到平均低潮位之间的海底地带，波浪作用的下限水深在工程上一般取为波浪波长的一半。
国家能源局2009年颁布的《海上风电场工程规划工作大纲》将海上风电场细分为潮间带和潮下带滩涂风电场、近海风电场和深海风电场。
潮间带和潮下带滩涂风电场指在沿海多年平均大潮高潮以下至理论最低潮位以下5m水深内的海域开发建设的风电场。近海风电场指在理论最低潮位以下5～50m水深的海域开发建设的风电场，包括在相应开发海域内无居民的海岛和海礁上开发建设的风电场。深海风电场指在大于理论最低潮位以下50m水深的海域开发建设的风电场，包括在相应开发海域内无居民的海岛和海礁上开发建设的风电场。
随着与陆地距离的逐步增大，海上风电场依次为滩涂风电场、近海风电场和深海风电场，风电场开发的难度也依次递增。就我国当前的风电技术水平，还难以开发深海风电场，因此一般提到的海上风电场均指潮间带和潮下带滩涂风电场或近海风电场。
我国已建成的海上风电场中，江苏如东150MW海上风电场示范工程属于潮间带风电场，如图1-2所示。我国第一个海上风电场——上海东海大桥100MW海上风电场属于近海风电场。
图1-2 江苏如东海上风电场二期工程[9]
1.1.3 海上测风塔
海上测风塔与陆上测风塔相对应，目前尚无明确的划分标准，可参照1.1.2节中海上风电场的划分标准来定义。
基于海上风电场的类型划分标准，海上测风塔为处于海上风电场区域（非海岛）中安装风速、风向等传感器以及风数据记录仪，用以测量风能参数的高耸结构，如图1-3所示。海上风电场开发首先需要掌握海上风能资源的变化规律和特征，而陆上气象站的测风数据并不能代表海上风资源特性，因此海上风电场建设时需要设立海上测风塔。
在风能资源的开发和利用过程中，风资源的获取与评估是一项重要的工作，而风资源的评估和获取最常用的手段就是建立测风塔。在海上风力发电开发与利用过程中，测风塔处于十分重要的位置，主要表现在风电场前期的风资源评估、风电场规划设计、风电场风况实时监测、弃风限电影响评估、发电量考核和气象运行资料积累等方面［11］。
图1-3 莱州湾海上测风塔[10]
1.测风塔在风电场前期开发中的作用［11］
（1）在风场风资源评估中的作用。风能密度是衡量一个地区风能大小，评价一个地区的风能潜力最方便最有价值的特征量。风能密度的大小主要取决于风速和空气密度。在风能资源储量丰富的地区选址建立风电场，其前提是精确掌握当地的风资源情况。为有效评价该地区是否有利于建立风电场，以便达到最佳的经济效益，必须建立测风塔对该地进行为期一年以上的不间断观测，收集当地最近时段的第一手气象信息。
对收集得到的测风塔气象观测资料，依据《风电场风能资源评估方法》（GB/T 18710—2002）和中华人民共和国国家发展和改革委员会（以下简称国家发改委）于2004年颁布的《风能资源评价技术规定》，进行数据分析，判定建立风电场的可行性和经济性。
此外，通过对测风塔不同高度的梯度气象测量数据，可以分析风电场区内不同高度上下层之间风的切变关系和稳定情况，研究风电场边界层的气象特征、理查森系数等湍流特性，研究高层风的动量下传特性，为分析风力发电机组的尾流影响提供参考，同时也为风电场的局地风力预测提供精细的流体力学模型。
（2）在风力发电机组微观选址和选型中的作用。针对拟建风电场所处位置的地理地貌，建立若干个测风塔，以便全面反映和代表全场的风资源分布情况。根据观测得到的全场梯度气象数据，分析场区内不同地理位置的风速、风向分布特征，为风力发电机组机位的选点规划提供参考依据。同时，根据观测得到的气象数据，结合不同厂家不同型号的风力发电机组类型，确定最适合本地区的风力发电机组型号，达到风能利用的最优化。
2.测风塔在风电场运营管理中的作用［11］
（1）超短期风力预测。针对电力行业不同用户的业务需求，必须开展多种时间尺度的风电出力预测系统，超短期风电出力预测即为其中之一。超短期风力预测模型依靠测风塔的历史数据和实时数据。历史数据主要用于超短期风力预测模型的建模和率参，为超短期的率参提供数据积累；实时数据为超短期风力预测提供实时输入数据源，预测未来0～4h的风速，实时数据还能为预测模型提供实时校正。
（2）弃风限电影响评估。我国电源整体上以火电为主，存在结构性矛盾。由于火电机组调整速度慢、调整容量有限，因此无法满足风电功率大幅波动情况下的电网调峰、调频需要，造成弃风。特别是在冬季夜间低负荷、大风时段，风电出力快速增加，其他非供热机组调峰压力较大，因此造成多数风电企业后夜弃风现象严重。当风电满发时，电网调节能力有限，无法消纳大规模风电，为保障电网的安全稳定，特定时候需要适当弃风限电。因此，通过对风电场气象要素资料，尤其是风速进行测量和收集，能够对弃风限电的风电场发电损失进行有效评估，提高风电场的运营管理水平。
（3）风电场发电量考核。根据风电场的实际运行时段发电量，剔除其中限电、电网因素等特殊情况的时段电量，与实际风速情况下理论发电量进行比对，找出其中存在的偏差，可有效考核风电场风力发电机组的利用效率。
（4）风电场气象运行资料的累积。对风电场进行长期有效的局地微尺度、高时空分辨率、不同高层、不间断的气象数据观测，能够积累风电场的长序列气象资料，该资料能够完善和丰富风电场的数据库，完善风电场的资料管理体系。多年风电场的气象累积资料，不仅能够对风电场的扩容扩建提供参考依据，还能为风电场中长期发电量指标的制定和修订提供历史依据。