上海綠色環(huán)保能源有限公司 ■ 俞曉峰

上海電氣風(fēng)電集團有限公司 ■ 李輝* 馬文勇

0 引言

隨著世界能源格局的調(diào)整和風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，近十幾年海上風(fēng)電得到了快速發(fā)展。鑒于漂浮式風(fēng)電機組適用水深的范圍更大、安裝費用低、易拆除、對居民生活影響小等優(yōu)點，近年來，越來越多的海上風(fēng)電示范項目都在開展漂浮式風(fēng)電機組的研究。由圖1可知，雖然海上風(fēng)電場的工作水深、單機容量及離岸距離都在逐漸增加，但其工作水深大部分還是集中在50 m以內(nèi)。目前漂浮式風(fēng)電機組的工作水深大部分在60 m以上，由圖2可知，漂浮式風(fēng)電機組在深水區(qū)(〉80 m)的經(jīng)濟性更加明顯，而對于水深介于30～60 m之間的過渡水深，若采用漂浮式風(fēng)電機組，需采用技術(shù)上可行、經(jīng)濟性可與固定式匹敵、安全性與可靠性兼顧的方案才能具有良好的市場前景。

圖1 全球海上風(fēng)電項目水深與離岸距離關(guān)系圖

圖2 不同風(fēng)電機組基礎(chǔ)成本與水深關(guān)系圖

本文通過對比分析國內(nèi)外已有的適用于過渡水深的漂浮式風(fēng)電機組項目，旨在了解此種漂浮式風(fēng)電機組的設(shè)計難點，從而選擇和設(shè)計出適用于我國的過渡水深的漂浮式風(fēng)電機組。

1 漂浮式風(fēng)電機組的總體設(shè)計

1.1 漂浮式風(fēng)電機組的種類

在漂浮式風(fēng)電機組20多年的設(shè)計和發(fā)展過程中，各國學(xué)者和研究人員提出了多種方案，其中最核心的問題主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1) 1個漂浮式基礎(chǔ)上安裝單個還是多個風(fēng)力機？

2)風(fēng)電機組是采用水平軸還是垂直軸？

3)是采用帶風(fēng)向標效應(yīng)的轉(zhuǎn)塔式基礎(chǔ)還是具有偏航功能的常規(guī)錨固基礎(chǔ)？

以上3方面是相互關(guān)聯(lián)的，當確定了1個基礎(chǔ)上安裝多個風(fēng)力機后，采用帶風(fēng)向標效應(yīng)的轉(zhuǎn)塔式基礎(chǔ)將是必要的，因為只有這樣才能更好地使相鄰風(fēng)力機不處在其他風(fēng)力機的尾流中，發(fā)電量才會更高。而風(fēng)電機組是采用水平軸還是垂直軸則主要取決于技術(shù)成熟度、整體安全性與經(jīng)濟性。

1)多風(fēng)力機的漂浮式風(fēng)電機組的概念。多個風(fēng)力機的漂浮式風(fēng)電機組的設(shè)計可以構(gòu)成一個更大的捕獲風(fēng)能的系統(tǒng)，功率可以是原來單個風(fēng)力機的3～5倍。如圖3所示，這樣的多風(fēng)力機的漂浮式風(fēng)電機組在獲得較高額定功率的同時，將會有更好的經(jīng)濟效益。但是，這樣的設(shè)計方案需要一個更大的漂浮式基礎(chǔ)才能保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時，1個基礎(chǔ)上多個風(fēng)力機間的電力傳輸和水密要求將會使基礎(chǔ)造價和電力設(shè)備成本增大。

圖3 多風(fēng)力機的漂浮式風(fēng)電機組概念圖

2)垂直軸漂浮式風(fēng)電機組的概念。垂直軸漂浮式風(fēng)電機組的概念的提出比水平軸的要晚些，因此其技術(shù)成熟度和商業(yè)化程度較低。垂直軸漂浮式風(fēng)電機組不需要復(fù)雜的偏航系統(tǒng)，很小的啟動力矩就可以使其產(chǎn)生電能；而且垂直軸漂浮式風(fēng)電機組可將發(fā)電機放至基礎(chǔ)內(nèi)部，從而簡化塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。但是，垂直軸漂浮式風(fēng)電機組的葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，攻角變化范圍非常大，所以葉片旋轉(zhuǎn)一周時的受力非常復(fù)雜，結(jié)構(gòu)受力很大，機械振動幅度很大，當使用大功率發(fā)電機時，自身結(jié)構(gòu)強度難于設(shè)計；同時，垂直軸漂浮式風(fēng)電機組的控制和剎車問題突出，容易發(fā)生失速。

圖4 垂直軸漂浮式風(fēng)電機組概念圖

3) 轉(zhuǎn)塔式系泊的漂浮式風(fēng)電機組。采用轉(zhuǎn)塔式系泊的漂浮式風(fēng)電機組主要是針對多風(fēng)力機的漂浮式風(fēng)電機組而言。相較于傳統(tǒng)的分散式系泊方案，轉(zhuǎn)塔式系泊方案面臨如何使風(fēng)電機組永遠對風(fēng)的問題，尤其是在部分機組發(fā)生故障不能正常工作，或風(fēng)、波浪和海流不在同一個方向時，風(fēng)電機組不對風(fēng)的現(xiàn)象在低風(fēng)速區(qū)域更容易發(fā)生。

綜上所述，對于一個風(fēng)電場而言，無論是從技術(shù)成熟度還是從安全性與經(jīng)濟性方面考慮，最好的選擇是采用分散式系泊的漂浮式基礎(chǔ)、安裝1臺大功率水平軸風(fēng)力機。

圖5 轉(zhuǎn)塔式系泊的漂浮式風(fēng)電機組

1.2 環(huán)境條件

環(huán)境條件對于漂浮式風(fēng)電機組的選型、基礎(chǔ)設(shè)計、施工安裝起著決定性作用。本文以我國東海沿海海域環(huán)境條件為參考，具體環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境條件

1.3 漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)形式及應(yīng)用

1.3.1 幾種常見的漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)形式

漂浮式風(fēng)電機組的基礎(chǔ)大多與移動式海洋石油平臺相似，如圖6所示。風(fēng)電機組的成本和復(fù)雜的荷載效應(yīng)對其基礎(chǔ)的設(shè)計提出了更高的要求，尤其是漂浮式風(fēng)電機組所在水深介于淺水與深水之間的過渡水深區(qū)域時。

由于立柱(Spar)式基礎(chǔ)要求水深較高，不適用于過渡水深區(qū)域，結(jié)合表1給出的環(huán)境條件，本文介紹了以下6種應(yīng)用這幾種基礎(chǔ)形式的方案。

圖6 不同漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計方案

1.3.2 漂浮式基礎(chǔ)形式的6種應(yīng)用方案

1)船(Barge)式——浮筒(Buoy)式方案。浮筒式漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)的概念來源于海洋工程中浮標的設(shè)計，如圖7所示。該設(shè)計方案采用一個大直徑浮筒作為基礎(chǔ)，周圍用懸鏈系泊。出于穩(wěn)定性的考慮，浮筒的直徑約為37 m，吃水約4.5 m，同時需要3000 t左右的壓載來降低重心。

圖7 浮筒式漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)

2) Barge式——阻尼池(Damping Pool)式方案。阻尼池式漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)由法國Ideol公司設(shè)計，如圖8所示。該方案適用的最小水深為30 m，基礎(chǔ)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，利用環(huán)形水池結(jié)合內(nèi)部艙室壓載和阻尼設(shè)備構(gòu)成阻尼池技術(shù)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料可采用全混凝土或全鋼結(jié)構(gòu)，吃水在7～8 m，主尺度和排水量根據(jù)風(fēng)機組功率等級和環(huán)境條件進行改變。2017年，法國Ideol公司采用此方案安裝了一臺2 MW的樣機。

圖8 阻尼池式漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)

3)半潛(Semi-Sub)式——WindFloat方案。WindFloat的設(shè)計方案由美國Principle Power公司設(shè)計，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用全鋼設(shè)計，三立柱與斜撐有效組合，并將風(fēng)力機安放在1個立柱之上，有效地減少了鋼材用量；同時基礎(chǔ)內(nèi)部安裝縱橫搖調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基礎(chǔ)底部安裝垂蕩板增加阻尼，有效減小了整體運動響應(yīng)，提升了發(fā)電量；該基礎(chǔ)吃水在20 m左右，排水量為7000～8000 t。美國Principle Power公司，于2018年在葡萄牙安裝了一臺2 MW的樣機。

圖9 WindFloat漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)

4) Semi-Sub式——Navy Energies方案。Navy Energies半潛式漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)由美國Navy Energies公司設(shè)計，基礎(chǔ)是鋼結(jié)構(gòu)與混凝土相結(jié)合，總重量在7000～8000 t；若采用全鋼結(jié)構(gòu)，重量需為3000 t?；A(chǔ)吃水約為18 m，運輸吃水為8.5 m，易于在船廠建造和碼頭組裝及運輸。

圖10 Navy Energies半潛式漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)

5)張力腿(TLP)式——Blue H方案。Blue H的張力腿式漂浮式風(fēng)電機組設(shè)計方案是世界上第一個將概念樣機化的方案。但是該設(shè)計是針對兩葉片風(fēng)電機組開展的研究，與目前主流三葉片水平軸風(fēng)電機組不匹配，所以這個設(shè)計擱置了很多年，直到2015年，針對三葉片大功率風(fēng)電機組的設(shè)計方案重新被提出。該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用張緊式系泊，張力筋腱采用錨鏈，根數(shù)為3～6根，結(jié)構(gòu)用鋼量不到2000 t，在位系泊系統(tǒng)在完好狀態(tài)時具有絕對穩(wěn)性，但是錨固基礎(chǔ)受地質(zhì)影響較大，運動響應(yīng)受水深與系泊系統(tǒng)的影響明顯。

圖11 Blue H張力腿式漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)

6) TLP式——TLB方案。TLB方案由美國MIT公司與Alstom公司聯(lián)合設(shè)計開發(fā)，結(jié)構(gòu)形式簡潔，是過渡水深采用張力腿式基礎(chǔ)設(shè)計的典范。該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)吃水根據(jù)排水量、預(yù)張力與總體響應(yīng)調(diào)整，結(jié)構(gòu)用鋼量不到2000 t；系泊系統(tǒng)無冗余設(shè)計，張力筋腱采用高強度合金鋼管，外伸的懸臂結(jié)構(gòu)采用桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖12 TLB張力腿式漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)

2 6種方案的對比分析

根據(jù)上述6種漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計方案，結(jié)合目標海域環(huán)境條件，本文將從總體尺寸與重量、總體性能、系泊系統(tǒng)與錨固系統(tǒng)、荷載與控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、 成本等方面進行對比分析。

2.1 總體尺寸與重量

表2為風(fēng)電機組基礎(chǔ)6種設(shè)計方案的總體設(shè)計參數(shù)對比。通過表2可知各種設(shè)計方案鋼結(jié)構(gòu)重量、吃水與排水量等信息。單從用鋼量來看，張力腿式基礎(chǔ)最少，但與船式和半潛式基礎(chǔ)相差并不多，因為大部分重量是可以用壓載水和混凝土來補償?shù)摹埩ν仁斤L(fēng)電機組基礎(chǔ)由于自身重量小，相對其他2種基礎(chǔ)形式重心偏高。

2.2 總體性能

本文在參考國外已有項目并進行初步分析的基礎(chǔ)上，對6種方案的總體性能進行了總結(jié)。

表2 總體設(shè)計參數(shù)對比表

1)浮筒式的概念來源于海洋工程單點系泊系統(tǒng)，但是由于漂浮式風(fēng)電機組的重心較高，使系統(tǒng)垂蕩的固有周期在9 s左右，橫搖、縱搖周期在13 s左右，這個周期剛好處于波浪能量集中的范圍內(nèi)(5～15 s)，因此，這個設(shè)計方案從運動上來講不是很友好。從穩(wěn)性的角度來看，要保證這個設(shè)計安全，浮筒的直徑要做的很大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部需要大量的艙室來裝載壓載水或固態(tài)壓艙物才能補償運動中自由液面的損失，系統(tǒng)才會具有足夠的穩(wěn)性。因此從技術(shù)可行性來看，浮筒式并不是很好。

2)阻尼池式的概念來源于航海領(lǐng)域的船舶減搖水艙和圓筒形漂浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)的設(shè)計，這個基礎(chǔ)的橫搖、縱搖固有周期在14 s左右，但可以通過中間阻尼池增加阻尼，內(nèi)部減搖水艙等手段來減少整體的運動響應(yīng)，從而使系統(tǒng)的設(shè)計滿足風(fēng)電機組發(fā)電的要求。為了控制垂蕩運動，在環(huán)形浮筒的周圍增加適當?shù)聂褒埞?，可有效降低垂向運動。這個概念的出發(fā)點是在過渡水深區(qū)域采用漂浮式風(fēng)電機組，因而主體結(jié)構(gòu)可采用全鋼結(jié)構(gòu)、全混結(jié)構(gòu)或二者相結(jié)合的方式，這樣的設(shè)計可適應(yīng)不同的水深、風(fēng)電機組和環(huán)境條件。從穩(wěn)性的角度來看，為了保證系統(tǒng)足夠穩(wěn)定，基礎(chǔ)總重量在8000 t。該設(shè)計方案在目前比較可行，只是技術(shù)成熟度還需進一步驗證。

3)WindFloat概念來源于Semi-Sub式石油平臺，該設(shè)計根據(jù)風(fēng)電機組的特點進行了優(yōu)化，風(fēng)力機安放在角立柱上，從而減少了冗余和用鋼量；但從穩(wěn)性上看，基礎(chǔ)內(nèi)部需要配備閉環(huán)的壓載調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以配合優(yōu)化控制系統(tǒng)，時時保持系統(tǒng)的浮態(tài)來應(yīng)對風(fēng)機荷載和波浪荷載的變化，從而保證發(fā)電量。WindFloat水平方向和橫搖、縱搖固有周期與半潛式平臺類似，都可以避開波浪周期范圍，但是大的垂蕩運動需要在基礎(chǔ)底部增加阻尼板來克服。該方案已經(jīng)過多年測試，從技術(shù)可行性和安全性來看，滿足設(shè)計要求。

4)Navy Energies的設(shè)計與WindFloat相似，不同之處在于，Navy Energies是將風(fēng)力機放在中央立柱上，這樣會增加基礎(chǔ)用鋼量和排水量，對于大功率風(fēng)電機組而言，其基礎(chǔ)排水量會接近10000 t。但從穩(wěn)性的角度來看，其壓載調(diào)節(jié)系統(tǒng)不用像WindFloat那么復(fù)雜就可達到穩(wěn)性的要求。該方案的底部浮筒可采用混凝土材料，這樣整個基礎(chǔ)既可采用全鋼結(jié)構(gòu)，也可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從而可適應(yīng)不同的水深和環(huán)境條件。但該方案存在的問題主要是其垂向運動響應(yīng)較大，需要添加阻尼板或舭龍骨來減少振動，而且其在技術(shù)成熟度方面還需進一步驗證。

5)Blue H的張力腿式設(shè)計方案采用張緊式系泊，浮力與重力的差值受張力腿預(yù)張力和平臺運動響應(yīng)的影響。通過增加垂向剛度，降低系統(tǒng)橫搖、縱搖與垂蕩運動固有周期，使得系統(tǒng)只在水平面內(nèi)具有順應(yīng)性，這樣從風(fēng)電機組控制角度考慮與海上固定式風(fēng)電機組變化不大。從穩(wěn)性角度來看，Blue H方案在張力筋完好狀態(tài)具有非常好的穩(wěn)性，但在張力筋破損狀態(tài)的穩(wěn)性還要看系泊系統(tǒng)設(shè)計的冗余度，也就是說，其穩(wěn)性存在潛在隱患。這個設(shè)計方案的優(yōu)勢在于用鋼量比Barge式和Semi-Sub式少，固定式風(fēng)電機組技術(shù)容易轉(zhuǎn)移到漂浮式上。但TLP式基礎(chǔ)設(shè)計方案受水深和水位影響極大，在過渡水深區(qū)域，平臺縱蕩和橫蕩的固有周期變小，容易處在波浪能量集中周期范圍內(nèi)；而且，當水平位移較大時，系泊系統(tǒng)的材料采用鈦合金鋼管時不一定能滿足轉(zhuǎn)角要求，而采用錨鏈系泊時，系泊系統(tǒng)自身的強度又難以滿足要求。因此，這個方案從技術(shù)可行性和安全性角度考慮，還不適用于過渡水深區(qū)域。

6)MIT&Alstom設(shè)計的TLB方案采用了張力腿上移的想法，主要是為了增加水平方向運動固有周期，從而間接提高系泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)角要求限值。雖然從運動周期上符合了設(shè)計要求，但是系泊系統(tǒng)無冗余設(shè)計，使整個系統(tǒng)在張力筋破損時穩(wěn)定性風(fēng)險較大。這個設(shè)計方案整體用鋼量少，但整個系統(tǒng)的重心較高，仿真結(jié)果和可行性還要通過實際試驗進行驗證。因此，這個方案在技術(shù)上可行，但可靠性和技術(shù)成熟度還需要進一步驗證。

2.3 系泊系統(tǒng)與錨固系統(tǒng)

以上漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)的6種設(shè)計方案都需要通過系泊系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)電機組基礎(chǔ)與海底錨固系統(tǒng)的連接，不同的基礎(chǔ)形式所匹配的系泊系統(tǒng)不同，產(chǎn)生的響應(yīng)也不同。從表3可以看出，相對于張緊式系泊，懸鏈式系泊適用范圍更廣泛，材料種類豐富，安裝方便，成本相對較低。

表3 系泊系統(tǒng)與錨固系統(tǒng)對比表

2.4 荷載與控制系統(tǒng)

漂浮式風(fēng)電機組的環(huán)境荷載主要包括上部機組荷載、下部基礎(chǔ)與系泊系統(tǒng)的波浪荷載和流荷載。由于極端環(huán)境條件的差別，最危險工況可能出現(xiàn)在發(fā)電狀態(tài)，也可能出現(xiàn)在空轉(zhuǎn)狀態(tài)。針對不同的漂浮式基礎(chǔ)形式，結(jié)合自身的運動特點進行相應(yīng)的控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)及系泊系統(tǒng)優(yōu)化才能達到最優(yōu)。相對于固定式風(fēng)電機組，漂浮式風(fēng)電機組受到的荷載更加復(fù)雜，如何更好的將漂浮式風(fēng)電機組受到的風(fēng)浪流荷載與系泊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進行一體化仿真模擬，是漂浮式風(fēng)電機組設(shè)計的關(guān)鍵。漂浮式風(fēng)電機組不僅要關(guān)注整體6個自由度的運動響應(yīng)(位移和加速度)，還要控制上部機組自身的荷載水平滿足結(jié)構(gòu)要求；而控制系統(tǒng)執(zhí)行變槳和偏航操作時，要輸入基礎(chǔ)運動響應(yīng)信號才能實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)國內(nèi)外研究機構(gòu)發(fā)布的大量研究成果，對Barge式、Semi-Sub式和TLP式3種漂浮式風(fēng)電機組的荷載與控制系統(tǒng)優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

1)風(fēng)電機組的荷載主要還是由風(fēng)主導(dǎo)，不同基礎(chǔ)形式風(fēng)電機組極限荷載量級經(jīng)優(yōu)化后處在一個量級上，但無論采用哪種基礎(chǔ)形式，其量級都比固定式大。

2)Barge式和Semi-Sub式基礎(chǔ)由于運動響應(yīng)大，二者產(chǎn)生的塔筒疲勞荷載要比TLP式大一些。塔筒荷載同時受到風(fēng)和浪的影響，隨著風(fēng)速增加，波高增加，波浪對塔筒荷載的影響加大。

3) Barge式和Semi-Sub式基礎(chǔ)荷載主要受波頻和低頻荷載控制，而TLP式基礎(chǔ)荷載主要受波頻和高頻荷載控制。

4)漂浮式風(fēng)電機組控制系統(tǒng)優(yōu)化主要調(diào)節(jié)變槳速率、比例積分參數(shù)Kp與Ki等參數(shù)，Barge式與Semi-Sub式漂浮式風(fēng)電機組主要采用恒扭矩控制，而TLP式漂浮式風(fēng)電機組主要采用恒功率控制。

5)對Semi-Sub式和Barge式漂浮式風(fēng)電機組，優(yōu)化后控制策略產(chǎn)生的運動響應(yīng)要比優(yōu)化前大，但優(yōu)化后產(chǎn)生的機組荷載要比優(yōu)化前??；優(yōu)化后控制策略在額定風(fēng)速區(qū)產(chǎn)生運動較大，但在切出風(fēng)速區(qū)產(chǎn)生的運動比優(yōu)化前小。

6)對于TLP式漂浮式風(fēng)電機組，優(yōu)化前后控制器對基礎(chǔ)運動響應(yīng)的影響不大，但優(yōu)化后機組荷載要比優(yōu)化前小。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于漂浮式風(fēng)電機組的基礎(chǔ)選型、總體響應(yīng)分析、控制系統(tǒng)優(yōu)化等方面的研究很多，但是對于漂浮式風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計卻少有闡述。一方面是由于概念設(shè)計階段無確定的荷載分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)形式，無法開展詳細的結(jié)構(gòu)強度分析與設(shè)計；另一方面是因為結(jié)構(gòu)設(shè)計需要投入的人力成本和時間都較長，在無具體項目的前提下不會有研究機構(gòu)去開展研究。而且漂浮式風(fēng)電機組上部機組與下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式有較大的區(qū)別，上部機組結(jié)構(gòu)部件有很多復(fù)合材料，下部基礎(chǔ)則基本是鋼材與混凝土材料；上部機組結(jié)構(gòu)分析采用時序荷載，而下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的方法多為設(shè)計波譜法。在最近幾年的研究中才逐漸開展上部機組與下部基礎(chǔ)的一體化設(shè)計，然后傳遞時序荷載完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Barge式漂浮式風(fēng)電機組的概念方案采用塔筒直接與基礎(chǔ)剛性連接，無斜撐焊接，易于建造，連接處結(jié)構(gòu)強度易滿足設(shè)計要求。

Semi-Sub式漂浮式風(fēng)電機組的概念方案由于運動響應(yīng)比TLP式漂浮式風(fēng)電機組的大，因而Semi-Sub式方案中塔筒與基礎(chǔ)連接處結(jié)構(gòu)需加強，而且需要配套的壓載系統(tǒng)和垂蕩板或舭龍骨等附屬設(shè)備，因此建造工序相對復(fù)雜。

TLP式漂浮式風(fēng)電機組的高頻荷載明顯，外伸浮筒與張力筋連接處的疲勞荷載比較明顯，因此，系泊系統(tǒng)與基礎(chǔ)連接處結(jié)構(gòu)強度要特殊設(shè)計。

Barge式和Semi-Sub式基礎(chǔ)都具有自穩(wěn)性，可以在碼頭與風(fēng)電機組組裝后直接運輸?shù)侥繕撕Ｓ蜻M行系泊系統(tǒng)安裝；但TLP式基礎(chǔ)在無張力腿連接時不具有自穩(wěn)性，因此在運輸和安裝過程過程中需要定制化的施工船舶才能保證安全。

Barge式漂浮式風(fēng)電機組的吃水較淺，甲板高度低，容易檢修，運維比較方便；而Semi-Sub式和TLP式由于結(jié)構(gòu)形式的原因，運維人員進入塔筒需要爬升一定的高度，相對比較麻煩。

2.6 成本

漂浮式風(fēng)電機組的概念雖然提出很早，但由于成本過高，加上技術(shù)成熟度不夠，因而并沒有很多實際項目產(chǎn)生。漂浮式風(fēng)電機組項目的投入要比近海固定式風(fēng)電機組高出很多，歐洲建設(shè)的漂浮式風(fēng)電機組CAPEX的成本在5萬元/kW，但隨著商業(yè)化的推進和技術(shù)的提升，有望降至2萬元/kW。對于漂浮式風(fēng)電機組都有大量的試驗項目研究，關(guān)于經(jīng)濟性的優(yōu)劣并無實際風(fēng)電場來參考，只能給出估算值，詳細的成本分析要根據(jù)具體風(fēng)能資源與當?shù)貒艺?、企業(yè)能力與施工資源等進行綜合評定。

表4 不同基礎(chǔ)形式的漂浮式風(fēng)電機組(3.6 MW)成本對比分析(萬元/座)

由表4可以看出，不同基礎(chǔ)形式的漂浮式風(fēng)電機組的成本相差不大，Barge式和Semi-Sub式成本分布類似，TLP式漂浮式風(fēng)電機組雖然用鋼量少，但是系泊系統(tǒng)的成本相對較高。綜上所述，漂浮式風(fēng)電機組的總體投入成本還是較高，只有從整個產(chǎn)業(yè)鏈上降低成本，才能使漂浮式風(fēng)電機組商業(yè)化成本與固定式風(fēng)電機組接近。

3 結(jié)論與建議

通過對上述適用于過渡水深的6種漂浮式風(fēng)電機組的設(shè)計方案對比分析，初步得到以下結(jié)論：

1)從技術(shù)成熟度來看，WindFloat樣機已運行多年，安全性和可行性最高；Damping Pool樣機也已運行半年，技術(shù)上可行但仍需驗證；其他設(shè)計方案都處在概念設(shè)計和模式試驗階段，技術(shù)可行性仍需進一步論證。

2) Buoy式方案橫搖和垂蕩固有周期處于波浪能量集中范圍內(nèi)，運動響應(yīng)偏大；Damping Pool方案、WindFloat方案與Navy Energies方案橫搖、縱搖和垂蕩響應(yīng)雖然較大，但通過匹配的減搖和加阻方案，整個系統(tǒng)的運動響應(yīng)可以達到設(shè)計要求，只是基礎(chǔ)設(shè)計成本需要增加。

3) Blue H方案由于水深的原因，若采用錨鏈作為張力筋可滿足轉(zhuǎn)角要求，但水平方向固有周期會與波浪能量集中周期范圍相交，因而可以借鑒TLB方案，將張力筋連接部位上移，但技術(shù)可行性仍需進一步論證。

4) Barge式和Semi-Sub式基礎(chǔ)產(chǎn)生的塔筒疲勞荷載要比TLP式大，TLP式高頻荷載對系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響明顯。對于Barge式和Semi-Sub式基礎(chǔ)來說，控制系統(tǒng)優(yōu)化后上部機組荷載可以減小，但基礎(chǔ)運動響應(yīng)在發(fā)電時會增加；對于TLP式基礎(chǔ)來說，其控制系統(tǒng)優(yōu)化對運動響應(yīng)不明顯，但可以降低機組的荷載。

5) Semi-Sub式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，建造工序多，用鋼量最大，但可以采用鋼結(jié)構(gòu)與混凝土組合的方式減少用鋼量。TLP式基礎(chǔ)雖然用鋼量少，但運輸與安裝過程不具有自穩(wěn)性，需要特定的船舶才能完成施工，因而施工難度要比Barge式和Semi-Sub式基礎(chǔ)大。

6)不同基礎(chǔ)形式的漂浮式風(fēng)電機組成本相差不大，都有各自成本投入高的部分，只有從整個產(chǎn)業(yè)鏈的角度降低成本，采用更先進的技術(shù)和更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，才能使漂浮式風(fēng)電機組的成本降低。

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