伍紹博，尹海卿，張開華，時蓓玲

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032）

日本漂浮式風(fēng)電技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向

伍紹博，尹海卿，張開華，時蓓玲

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032）

漂浮式風(fēng)電是未來海上離岸風(fēng)電的重點發(fā)展方向。日本海域面積大，風(fēng)資源豐富，漂浮式風(fēng)電起步較早，受福島核電站爆炸事故影響，日本決意棄核，轉(zhuǎn)而大力發(fā)展漂浮式風(fēng)電，目前已建成多座漂浮式風(fēng)機的樣機并投入運行，取得了良好的經(jīng)濟效益。文章對日本漂浮式風(fēng)電的發(fā)展概況、目前已實施的重點項目及其創(chuàng)新技術(shù)和未來的發(fā)展方向進行論述。日本在漂浮式風(fēng)電的研究、設(shè)計、施工走在了世界前列，其技術(shù)可為我國漂浮式風(fēng)電發(fā)展提供良好的參考借鑒作用。

漂浮式風(fēng)電；浮式升壓站；下風(fēng)向風(fēng)機；液壓風(fēng)機

0 引言

日本擁有全球第六大海域面積，是風(fēng)資源非常豐富的國家，根據(jù)日本官方測算，日本的風(fēng)能儲量為1 880 GW，其中，280 GW為陸上風(fēng)電，余下1 600 GW全部在水深大于100 m的海上（圖1），這部分風(fēng)機必須全部采用漂浮式。

按目前技術(shù)水平，日本的1 600 GW的離岸風(fēng)資源中，378 GW是技術(shù)上可行的，如果考慮電網(wǎng)的需求和能力等限制因素，有96 GW是商業(yè)和技術(shù)上都可行的。

圖1 日本海上風(fēng)力分布Fig.1Offshore wind force distribution in Japan

由于2011年福島核電站爆炸事件，日本啟動了棄核計劃，旨在2040年全面關(guān)停日本的核電站。目前核電占日本供電量的30%（50座核電站，44.6 GW），該部分電量將全部由新的綠色能源替代。受益于棄核計劃，按照日本官方制定的目標(biāo)，到2050年，日本的離岸風(fēng)電將達到37 GW，其中，19 GW為固定式風(fēng)電，18 GW為漂浮式風(fēng)電。具體的計劃實施步驟如圖2所示。

圖2 日本海上風(fēng)電實施計劃Fig.2Plan of Japan offshore wind power

日本漂浮式風(fēng)電研究已經(jīng)開展近20 a，現(xiàn)已處在世界領(lǐng)先地位，本階段，日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟省已經(jīng)累計完成了220億日元的投資，以用于浮式風(fēng)電的研究和試驗，下一步計劃投資310億日元用于浮式風(fēng)電研究，目的是達到1 GW的浮式風(fēng)電裝機容量。

1 日本漂浮式風(fēng)電項目進展

按照項目的進程，日本漂浮式風(fēng)電發(fā)展可分為3個階段，分別為2011年的風(fēng)鏡（wind Lens）項目，2012年實施的樺島（Kabashima Island）項目，2011年規(guī)劃，2013年開始實施樣機建設(shè)的福島（Fukushima）一期、二期漂浮式風(fēng)電項目。

2011年12月風(fēng)鏡項目由九州大學(xué)再生能源動力學(xué)部（Division of Renewable Energy Dynamics）實施，選址在福岡市博多港離岸600 m，該項目采用2個直徑18 m，功率為3 kW的小型風(fēng)機（還布置了多塊太陽能電池板），浮式基礎(chǔ)為小型的漂浮式浮筒、桁架組合結(jié)構(gòu)，采用懸鏈線式系泊，樣機測試時間為1 a，并未參與并網(wǎng)發(fā)電。

嚴格來說，風(fēng)鏡項目為科研性質(zhì)的項目，其浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和風(fēng)機形式等均處于探索驗證階段。相比之下，樺島項目和福島一期、二期漂浮式風(fēng)電的技術(shù)較為成熟，且均并網(wǎng)發(fā)電，以下將重點介紹分析。此外，日本三井物產(chǎn)集團和東京大學(xué)聯(lián)合提出的5 MW張力腿式（TLP）風(fēng)機概念也逐步成熟，下階段可能開展樣機建設(shè)，本文也將對此漂浮式風(fēng)機概念進行分析。

1.1 樺島（Kabashima Island）項目

樺島項目為日本環(huán)境省資金支持的首個漂浮風(fēng)機項目[1-2]，由戶田建設(shè)、富士重工、九州大學(xué)、日本海上技術(shù)安全研究所聯(lián)合體實施，浮式基礎(chǔ)形式為立柱式（圖3）。該項目從方案設(shè)計到風(fēng)機安裝歷時2 a，2012年采用100 kW下風(fēng)向風(fēng)機，2013年安裝2 MW風(fēng)機。項目選址位于日本南部長崎縣五島列島，當(dāng)?shù)厮罱?00 m，該風(fēng)機的總體規(guī)模較挪威Hywind（同為立柱式漂浮風(fēng)機）為小，但由于特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式和安裝方法，被認為是未來立柱式風(fēng)機技術(shù)發(fā)展的一次重要探索。

圖3 樺島項目立柱式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.3Structure of Kabashima island FWT spar

該項目創(chuàng)新點如下：

1）采用立柱式基礎(chǔ)，立柱上半部分采用鋼結(jié)構(gòu)，底部采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)作為配重。

2）在岸上實現(xiàn)風(fēng)機的整體安裝，并采用駁船運輸至海上安裝地點（全程風(fēng)機傾倒置于駁船上），安裝過程采用浮吊和安裝導(dǎo)架輔助風(fēng)機扶正（圖4）。

圖4 樺島項目風(fēng)機扶正Fig.4Installation of Kabashima FWT

3）風(fēng)機的監(jiān)控系統(tǒng)完備，其設(shè)計浪高8.4 m（50 a一遇），但剛運行不久即遭遇2012年第16號臺風(fēng)Sanba，臺風(fēng)浪高達9.5 m，風(fēng)機的運動、結(jié)構(gòu)受力數(shù)據(jù)得到完整的記錄，為后續(xù)風(fēng)機設(shè)計提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

由于立柱式風(fēng)機為壓載穩(wěn)定體系，故在類似項目Hywind中，挪威國家石油公司采用了鋼結(jié)構(gòu)制造風(fēng)電基礎(chǔ)，壓載通過底部的壓載水倉實現(xiàn)。日本在設(shè)計樺島項目時另辟蹊徑，通過預(yù)應(yīng)力混凝土增加配重取代傳統(tǒng)壓載水倉。由于混凝土的浮容重較大，不需考慮內(nèi)部腐蝕問題，無需壓載控制系統(tǒng)，因此大幅降低了制造成本。但因為壓載量不可調(diào)整，無法通過逐級控制壓載實現(xiàn)風(fēng)機自行在海中扶正，故制作了特殊的安裝導(dǎo)架，采用浮吊輔助扶正。按照歐洲的經(jīng)驗，類似的立柱式風(fēng)機一般都采用基礎(chǔ)先行濕拖至現(xiàn)場，調(diào)整壓載扶正后再在海上吊裝塔筒和風(fēng)機，作業(yè)窗口時間長，成本高昂。樺島項目在岸上完成風(fēng)機整體式拼裝，海上扶正后直接拖航至現(xiàn)場安裝的方法較為簡易，且對環(huán)境條件要求較低，有效地控制了風(fēng)險和成本。

1.2 福島（Fukushima）漂浮式風(fēng)電一期、二期項目

福島風(fēng)電項目由日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟省出資，東京大學(xué)、三菱重工、日立、三井造船、清水建設(shè)、日本海事學(xué)會、丸紅株事會社、新日鐵等單位參與，基本集中了日本在海洋工程、機電工程、建設(shè)工程方面的專家和智庫。

福島未來項目分為兩期[3-4]（詳細內(nèi)容見表1），第一期稱為福島先鋒項目，目標(biāo)是建設(shè)1座漂浮式風(fēng)力發(fā)電平臺、1座漂浮式升壓站。一期的漂浮式風(fēng)機為半潛式，風(fēng)機為日立集團研制的2 MW下風(fēng)向風(fēng)機，漂浮式升壓站為改進型立柱式。目前一期項目已經(jīng)全部完成，據(jù)公開資料，一期漂浮式風(fēng)電平臺的有效發(fā)電時間比例高達88%，遠高于歐盟提出的35%～45%標(biāo)準，并高于挪威Hywind項目的50%。風(fēng)機自2013年11月建成以來，遭遇多次臺風(fēng)，結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)均為安全狀態(tài)。

表1 日本福島風(fēng)電一期、二期情況Table1Fukushima FWT project phase I&phase II

福島未來二期項目包括1臺7 MW的V形半潛式風(fēng)機和改進型立柱式風(fēng)機。據(jù)已公開的資料，V形半潛式基礎(chǔ)的設(shè)計理念為通過無支撐結(jié)構(gòu)來提高整個平臺的結(jié)構(gòu)疲勞強度，同時減小海洋環(huán)境載荷。二期項目所采用的風(fēng)機均為7 MW，為三菱重工研發(fā)，均為液壓式，目前V形半潛式風(fēng)機已經(jīng)安裝完成，改進型立柱式平臺在設(shè)計制造過程中。

1.2.1 福島未來一期項目（半潛式風(fēng)機創(chuàng)新點）

1）采用四柱式，風(fēng)機布置在平臺的中心（圖5），未采用與美國Windfloat半潛式風(fēng)電平臺類似的主動壓載控制系統(tǒng)。

2）擴大基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)體積（圖6），并在底部周邊安裝制蕩板區(qū)域（類似舭龍骨），把大量壓載水置于下部，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性，同時增大了垂蕩、橫搖阻尼。

圖5 福島一期風(fēng)電項目風(fēng)機整體拖航Fig.5Fukushima phase I FWT floating transportation

圖6 福島一期風(fēng)電基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)Fig.6Sub-Structure of Fukushima phase I FWT

3）采用下風(fēng)向風(fēng)機，減小葉片質(zhì)量，提高發(fā)電效率。

4）電力線纜直接與浮式升壓站相連。

1.2.2 福島二期項目

福島二期項目中已建成的半潛式風(fēng)機基礎(chǔ)采用V形平臺，其創(chuàng)新點如下：

1）V形基礎(chǔ)把橫撐放在底部，兼做壓載水倉，水線面小，有效降低了波浪影響，增加了垂蕩阻尼（圖7、圖8）。

圖7 福島二期V形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸Fig.7Fukushima phase II FWT sub-structure size of shape V

圖8 福島二期V形基礎(chǔ)拖航Fig.8Floating transportation of Fukushima phase II FWT sub-structure of shape V

2）V形布置有利于基礎(chǔ)平臺在碼頭側(cè)的靠泊，便于風(fēng)機安裝和未來的維護。

3）采用了三菱重工7 MW（Sea Angle）液壓式風(fēng)機。

4）針對浮式風(fēng)機錨鏈系統(tǒng)的極端荷載破壞和疲勞問題，新日鐵住金集團開展了大量荷載和疲勞試驗，對錨鏈的結(jié)構(gòu)行為進行了三維數(shù)模分析。

5）解決了水下22 kV立式電纜（Riser Cable）的安裝難題。

1.3 三井物產(chǎn)張力腿（TLP）風(fēng)機項目

按照歐洲、美國現(xiàn)有的張力腿式漂浮風(fēng)機項目（荷蘭的Blue H、德國的GICON、美國的Pela-STAR、西班牙的TLPwind等），風(fēng)機在海底的錨錠系統(tǒng)一般采用重力式、吸力錨、樁基礎(chǔ)、大抓力錨等形式，這些基礎(chǔ)都要在風(fēng)機浮運至現(xiàn)場前預(yù)先安裝，且在風(fēng)機安裝過程中，需要在現(xiàn)場將張力腿（Tendon）和基礎(chǔ)進行連接。這對于大型設(shè)備、作業(yè)窗口、潛水作業(yè)、連接結(jié)構(gòu)設(shè)計等提出了較高的要求，且經(jīng)濟性較差，安裝精度控制難度大，施工風(fēng)險高[5]。鑒于此，日本三井物產(chǎn)集團（Mitsui）提出采用風(fēng)機-錨錠一體式系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)機-錨錠海上整體拖航，錨錠系統(tǒng)下沉安裝的方案，如圖9、圖10所示。

圖9 Mitsui風(fēng)機-錨錠系統(tǒng)分離Fig.9Separation of anchor system of Mitsui FWT

圖10 Mitsui風(fēng)機錨錠系統(tǒng)著床Fig.10Implantation of anchor system of Mitsui FWT

該風(fēng)機總體排水量為602 0 t，壓載量為1 000 t，張力腿的初始張力為2 080 t[6-7]，風(fēng)機通過6根（3組）鋼絲繩與底部混凝土基礎(chǔ)連接，目前該型風(fēng)機的各項水動力試驗和計算工作已由東京大學(xué)完成。該型風(fēng)機具有以下創(chuàng)新點：

1）采用風(fēng)機-錨錠一體化設(shè)計理念，大幅簡化張力腿風(fēng)機的安裝流程，降低對船機設(shè)備的依賴和作業(yè)窗口的限制。

2）采用重力式基礎(chǔ)（混凝土），降低風(fēng)機基礎(chǔ)制造成本。

3）風(fēng)機基礎(chǔ)上的張力腿連接點位于浮筒頂端（水面以上），便于張力控制和后期運營維護。

4）浮筒和橫撐大部分位于水下，受波浪、海流影響小。

由于目前該型風(fēng)機仍處于試驗階段，尚存一些問題需在樣機安裝前解決，如重力式基礎(chǔ)的地基處理、張力腿系統(tǒng)的安裝過程控制等。

2 日本漂浮式風(fēng)電發(fā)展方向

2.1 新形式漂浮式風(fēng)機基礎(chǔ)

日本在漂浮式風(fēng)機基礎(chǔ)的研制方面走在了世界前列，近年來，企業(yè)、高校、研究機構(gòu)提出了許多獨創(chuàng)的漂浮式風(fēng)機基礎(chǔ)[8-10]，表2對其中得到資金支持或已開展相關(guān)試驗和分析的主要幾個概念進行了介紹。

2.2 漂浮式風(fēng)電場建設(shè)

漂浮式風(fēng)電場選址一般位于開敞的外海，離岸距離遠，水深大，在深水區(qū)建設(shè)升壓站是風(fēng)電項目的重要環(huán)節(jié)。目前，歐盟提出的離岸升壓站設(shè)計方案均采用導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)。在福島一期項目中，日本獨創(chuàng)性地提出并設(shè)計建設(shè)了世界上首臺浮式25 MVA，66 kV升壓站。

表2 近年來日本提出的漂浮式風(fēng)電概念Table 2The concept of FWT put forward by Japan in recent years

該升壓站的設(shè)計方案為改進型立柱平臺（Advanced Spar）。平臺下部為大型混凝土塊體，中部為浮箱，通過混凝土壓載確保穩(wěn)性（圖11）。上部結(jié)構(gòu)設(shè)有靠船平臺，頂部為直升機平臺和變電設(shè)備艙室（圖12）。在塔柱上集成了海洋氣象、運動、波浪、海流等一系列監(jiān)控和通信裝置。

圖11 浮式升壓站在干塢內(nèi)預(yù)制Fig.11Floating substation prefabricated in the dry dock

圖12 浮式升壓站海上拖航Fig.12Offshore floating transportation of floating substation

浮式升壓站設(shè)計建設(shè)過程中，日立集團設(shè)計了專用抗傾變壓器單元，并在傾斜振動臺上進行試驗，古河電氣工業(yè)集團研制水下高壓電纜及接頭，解決了浮動式平臺輸變電問題。

2.3 新一代風(fēng)機

2.3.1 下風(fēng)向風(fēng)機

下風(fēng)向風(fēng)機有別于順風(fēng)向風(fēng)機（圖13），驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動的風(fēng)從機艙側(cè)進入（圖14）。日立集團研制的多臺下風(fēng)向風(fēng)機已經(jīng)在陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電中成功應(yīng)用（樺島項目、福島一期均采用日立的下風(fēng)向風(fēng)機），根據(jù)相關(guān)的文獻報道，該型風(fēng)機具有以下特點：

1）有效避免葉片和風(fēng)塔碰撞。

2）更輕更柔的葉片（同樣發(fā)電功率，葉片減重達30%）。

3）不需要額外的轉(zhuǎn)角驅(qū)動電機。

4）提高發(fā)電機冷卻效率。

5）提高發(fā)電效率。

6）對于丘陵地帶的陸上風(fēng)機，發(fā)電效率和可靠性更高。

圖13 下風(fēng)向風(fēng)機和順風(fēng)向風(fēng)機Fig.13Downwind and upwind turbines

圖14 下風(fēng)向風(fēng)機機艙繞流CFD模擬Fig.14CFD simulation of downwind nacelle

日立集團在2014、2015年的年報中多次提及該型風(fēng)機的相關(guān)技術(shù)，下風(fēng)向風(fēng)機被認為是未來陸上、海上風(fēng)機的理想形式之一。

2.3.2 液壓式風(fēng)機

常規(guī)風(fēng)機的理念為葉片驅(qū)動軸進入變速箱，變速箱輸出軸驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸發(fā)電。液壓式風(fēng)機由葉片轉(zhuǎn)動帶動液壓泵，液壓泵驅(qū)動液壓油進入液壓馬達再驅(qū)動后部發(fā)電機（圖15、圖16），省去機械式變速箱[12]。該型風(fēng)機已經(jīng)在日本福島二期的V形漂浮式風(fēng)機中成功應(yīng)用，是目前在運營功率最大的風(fēng)機。

圖15 三菱重工液壓風(fēng)機概念Fig.15Hydraulic wind turbine of Mitsubishi

圖16 三菱重工7 MW液壓風(fēng)機（Sea Angle）結(jié)構(gòu)Fig.16Structure of hydraulic wind turbine（Sea Angle）of Mitsubishi 7 MW

液壓式風(fēng)機具有以下特點：

1）無機械變速箱，減少了風(fēng)能損耗和機械磨損。

2）承載力大，特別適用重載工況（切斷風(fēng)速更高，發(fā)電效率提升）。

3）自動化程度高，可靠性好。

4）運轉(zhuǎn)噪音低。

目前，三菱重工正在研發(fā)功率更大的液壓式風(fēng)機，希望在日本遠海漂浮式風(fēng)電中大規(guī)模推廣。

3 結(jié)語

日本海上漂浮式風(fēng)電發(fā)展勢頭迅猛，在環(huán)境省、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟省的經(jīng)費支持下，其國內(nèi)的企業(yè)、高校和研究機構(gòu)投入了大量的研究資源，目前已提出了許多新的概念，且已經(jīng)實現(xiàn)了多臺樣機的測試試驗及并網(wǎng)發(fā)電?？傮w上有如下創(chuàng)新：

1）漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)創(chuàng)新，成功實施不同形式漂浮風(fēng)電的樣機試驗。2）海上升壓站設(shè)計創(chuàng)新，實現(xiàn)離岸輸變電。3）開發(fā)下風(fēng)向風(fēng)機、液壓式風(fēng)機，滿足未來漂浮式風(fēng)電的需求。

4）從設(shè)計方案上考慮建設(shè)成本控制。

我國作為今后海上風(fēng)電的建設(shè)主力軍，未來走向深遠海，采用漂浮式風(fēng)機將是大勢所趨，日本在這方面的研究、設(shè)計、建設(shè)、成本控制經(jīng)驗可為我國相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供參考借鑒作用。

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Status and future development direction of Japan floating wind turbine theology

WU Shao-bo,YIN Hai-qing,ZHANG Kai-hua,SHI Bei-ling
（CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Floating wind turbine(FWT)is the significant direction of offshore wind power development in the future.The maritime zone of Japan is relatively large and wind resource is abundant,the research of FWT had been carried out very early in Japan.Since the Fukushima nuclear power plant disaster in 2011,Japan decided to abandon its nuclear program,and turned its attention to FWT.At present,many FWT prototypes had been installed and put into operation,and achieved good economic results.In this paper,we discussed the development of FWT in Japan,the current key projects,the innovative technology and the future development direction.The research,design and construction of FWT in Japan is in the forefront of the world,and its technology can provide a good reference for the development of FWT in China.

floating wind turbine;floating substation;downwind turbine;hydraulic wind turbine

TM614

A

2095-7874（2017）06-0108-07

10.7640/zggwjs201706024

2016-11-02

伍紹博（1985—），男，湖北黃岡人，工程師，船舶海洋工程專業(yè)。E-mail：shaobo.wu@gmail.com