我国发展现状[1]
1.整体现状
中国地处季风区，因此具有相对丰富的风能资源。凭借海岸线长且蜿蜒曲折的优势，东南沿海及邻近岛屿的地区，包括上海以及山东、江苏、浙江、福建、广东、广西和海南等省，都有巨大的发展海上风电的潜力。
中国的海上风电于2007年开始发展，在技术难度较高、产业链较复杂的海上风电领域，一开始就远远落后于欧洲，但是近二十年，中国海上风电市场快速扩张，呈现出高速增长的态势，从2018年开始，中国新增的海上风电装机已经超过世界其他国家。根据世界海上风电论坛（WFO）发布的数据显示，截至2019年底，全球共有23个在建海上风电项目；中国在建海上风电项目达到13个，占全球56.5%。中国在建海上风电项目的装机容量高达3.7 GW，占52.9%。《风电发展“十三五”规划》（以下简称“规划”）指出，到2020年底，我国风电累计并网装机容量确保达到2.1亿千瓦以上，风电年发电量确保达到4 200亿千瓦时，约占全国总发电量的6%。结合目前全球已投运的装机容量以及在建装机容量来看，中国在2020年已经成为全球最大的海上风电市场，未来我国风电发展仍有一定的空间。
2.海上风电开发装备分类
目前投入使用的海上风机结构形式与陆上风机类似，一般包含基础、塔架、风机三部分，这一形式数十年来基本均没有发生重大的改变，但随着技术的进步，风机的功率、几何尺寸及发电效能等性能指标均有较大的提升。海上风机的类别可以根据其基础形式或者功率划分，本书主要依据前者对其进行分类，分为固定式风机和浮式风机，其中固定式风机基础又可细分为单桩基础、多桩承台基础、三脚或多脚架基础、导管架基础和重力式基础等；浮式基础目前仍处于设计研发阶段，其设计原型是各种海上浮式平台，主要有张力腿式、半潜式和单立柱式（SPAR）等，如表11－1所示。
表11－1 海上风机分类
1）单桩式
单桩式基础是目前世界上应用最多的海上风机基础形式（见图11－4），近几年欧洲新增海上风电场80%以上采用了这种基础形式，其优势在于：在工厂预制可以保证钢管桩质量，现场施工程序相对简单，工作量较其他基础小，是一种十分经济可靠的基础形式。考虑到我国海上风电场都位于近海浅水区，理论上很适合单桩式基础，然而目前单桩式基础在我国海上风电中的应用并不普及。究其原因在于我国缺少大型单桩的施工器械，同时潮间带较浅的水深也使得施工船航行困难，今后随着海上单桩式基础施工力量的增强和海上风电向深水区迈进，单桩式基础在我国海上风电中的应用会更加广泛。
2）多桩承台式
多桩承台式又称群桩式高桩承台基础，由基桩和上部承台（包括混凝土承台和钢承台）组成（见图11－5），适用于5~20米的水域。斜桩基桩呈圆周形布置，对结构受力和抵抗水平位移较为有利，但桩基相对较长，总体结构偏于厚重。因波浪对承台产生较大的顶推力作用，需对基桩与承台的连接采取加固措施。上海东大桥风电场项目使用的基础即为多桩式基础，采用八根中等直径的钢管桩作为基桩，八根基桩在承台底面沿一定半径的圆周均匀布设。
图11－4 单桩式风机
图11－5 多桩承台式风机
3）三脚架式
用三根中等直径的钢管桩定位于海底，埋置于海床下10~20米的地方，三根桩成等边三角形均匀布设，桩顶通过钢套管支撑上部三脚桁架结构，构成组合式基础。三脚桁架为预制构件，承受上部塔架荷载，并将应力与力矩传递于三根钢桩。该基础自重较轻，整个结构稳定性较好，适用于15~30米的水域。国内外也有一些项目采用三脚架式基础，如德国Alpha Ventus海上风电场，瑞典的Nogersund，中国的金风科技潮间带2.5 MW试验机组如东项目。三脚架式风机如图11－6所示。(https://www.daowen.com)
4）导管架式
导管架式基础是一钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，在陆上先焊接好，漂运到安装点就位，将钢桩从导管中打入海底。该基础强度高，重量轻，承载力大，并能有效解决水下连接的问题，适用于5~50米范围内的水域，但造价昂贵，需要大量的钢材，易受天气和海浪的影响。导管架式基础是深海海域风电场未来发展的趋势之一。德国Alpha Ventus海上风电场的6台Repow er机组和英国的Beatrice示范海上风电场的两台5 MW风机、Ormonde均采用导管架式基础；中国首例海上风力发电渤海油田示范项目也采用的是导管架式基础。导管架式风机如图11－7所示。
图11－6 三脚架式风机
图11－7 导管架式风机
5）重力式
重力式基础主要依靠自重使风机垂直矗立在海面上，一般为钢筋混凝土沉箱结构，其承载力小、制造工艺简单，适合坚硬的黏土、砂土及岩土地基，且地基须有足够的承载力支撑基础结构自重、使用荷载及环境荷载等，应用于0~10米的水域。世界上早期的海上风机基础均采用重力式（见图11－8），但目前已经很少再采用此种基础建设方式。
6）浮式风机基础
浮式风机是复杂的海上结构物之一，其概念最早由麻省理工学院（MIT）的Heronemus教授提出。为了能够将风机安装在海中，根据支撑平台获得稳性和恢复力的方式，他提出了3种基本的浮式风机概念，如图11－9所示，①利用自身重心与浮心关系提供恢复力的Spar型概念；②利用锚泊系统提供恢复力的TLP型概念；③利用水线面的特性提供恢复力的大水线面浮体概念，主要有Semi和Barge型。
图11－8 重力式风机基础示意
图11－9 三种浮式风机概念
过去几十年海洋工程和风电行业取得了长足进步，浮式风机也于近几年成为现实。根据上述概念，现在多家公司已经设计并安装了一些试验性的风机。2009年，第一台真正意义上的浮式风机系统“Hywind”在挪威海域安装成功，实现了海上浮式风机运行发电的历史性突破。之后Principle Power公司在葡萄牙海岸安装了Semi型风机。
Wind Float风机所在的海域水深为45米。Roddier等人对Wind Float风机做了全面的可行性分析，首次公布了该浮式风机概念的设计标准，并进行大量的结构性能与水动力学性能的数值分析。图11－10所示是Hywind和Wind Float风机，海上浮式风机是风电与海洋工程的结合，开启了探索深海风能开发的新道路。
图11－10 Hywind风机和Wind Float风机
