漂浮式风电结构及经济性分析

漂浮式风电结构解析，4大结构助力深远海风资源开发。

漂浮式风电由风电机组（含塔筒）、浮式基础、系泊系统和动态海缆系统四部分组成。漂 浮式风电通过浮体漂浮在海水中支撑上部风电机组，通过系泊系统进行位置和运动的约 束来保证漂浮状态下浮式基础结构的稳定性和安全性，然后经由动态海缆实现电力输送。 跟传统的固定式相比，漂浮式风机把桩机换成了浮体和系泊系统。此外，在风电机组和 海缆设计上，漂浮式和固定式相比也有一定差异。

漂浮式风电机组相比于固定式进行了结构加强和控制策略改进。漂浮式风机是一个运动 系统，震动大，塔筒和零部件的受力大。因此漂浮式风机机组在结构方面进行了局部加 强，如塔筒、主轴以及一些部件的底座。漂浮式的控制策略相比于固定式也有一定优化。 控制策略与风-浪-流的耦合作用可能会造成塔架、系泊系统等大部件系统疲劳载荷的增 加和功率波动。因此，必须对现有固定式的控制策略进行优化，使风力涡轮机可以在接 近最佳效率值的情况下运行，并通过减少疲劳载荷来保证其可靠性。

浮式基础是为风机机组提供浮力和稳定性的钢结构。目前主流的浮式基础结构主要分为 以下四种：立柱式、半潜式、张力腿式以及驳船式。 立柱式(Spar)：具有自稳定性，该类型平台重心设计远低于浮心，具有结构简单、 垂向波浪激励力小、稳定性较好等特点，但对工作水深有特定要求，通常需要大于 100m 水深。 半潜式(Semi)：适用水深通常大于 40m，适用水深范围较广；可采用湿拖法运输， 部署灵活，技术较为成熟。 张力腿式(TLP)：具有较好平台垂向运动性能，但安装过程较为复杂，张力腱结构造 价较高，目前国内缺乏相关的制造和施工安装经验；适用水深通常大于 60m。 驳船式(Barge)：适应水深通常大于 30m；结构形式简单，容易制造，稳性较好， 可采用湿拖法整体运输，部署灵活且成本较低。

漂浮式系泊系统由张紧器、系泊线和锚固等装置组成，通过连接海床为浮式基础提供定 位作用。系泊线是连接浮式基础与海床的关键构件。张紧器和锚固分别起到连接系泊线 和基础、连接系泊线和海床的作用。系泊线按可分为悬链线式、张紧式、张力腱式，目 前国内以悬链线式为主。

锚固装置根据形式和力学特性，可大致分为抓力锚、重力锚、桩锚、吸力锚四种。其中 抓力锚是目前使用最广泛的一种锚固结构。 抓力锚：抓力锚是常用最古老系泊基础形式之一，大抓力锚抛锚形式为穿透海底土 壤后拖行埋置，可以选择局部或全部穿入海床土壤中，由锚爪前土壤阻力产生抓力， 并以抓重比（或抓力系数）来表征其锚固特性。

重力锚：通过压载与海床表面的摩擦力来抵抗锚链的水平张力，通过压载重量来抵 抗锚链的垂向张力；随着锚链的垂向张力水平要求的提高，设计的重力锚需要更大 的压载体积，而且水平张力通常难以单纯通过压载和海床之间的摩擦力进行平衡， 其性能与海床息息相关，限制了其使用范围。 桩锚：通过向海床打入桩基，通过桩基与土壤之间的作用力来提供锚链的水平张力 和垂向张力；但是在深水区域作业时，施工费用较高。 吸力锚：吸力锚形状近似于一个顶部密封、底部开口的圆筒，由其侧面的土壤阻力 和摩擦力产生抓力，主要用于黏土型底质，也可用于细沙或颗粒层，能同时承受锚 链水平和垂向载荷。

漂浮式基础会在风、潮汐、波浪、海流等环境条件下运动，因此漂浮式风机需配套动态 海缆系统。动态海缆系统主要由动态海缆、静态海缆、连接头等构成。其中悬浮部分采 用动态海缆，铺设于海底部分采用静态海缆，两者通过连接头进行连接。与静态海缆不同，动态海缆系统需要更强的抗拉、抗弯曲和抗疲劳能力，以及 S 弯构型来保证运动条 件下的顺应性。相比于静态海缆，动态海缆多加了一层铠装层。此外动态海缆上还配置 了浮力块、重力块、弯曲加强器等附件来维持其稳定构型。

漂浮式风机对水深变化不敏感，在 60 米以上深水海域更具经济性。随着向深水海域开 发，以及水深的增加，传统固定式基础的桩基、导管架成本会迅速上升，施工难度也会 急速加大。而漂浮式风机只有系泊系统部分随水深变化，主要体现为系泊链的延长，因 此其成本相对于水深变化不敏感。一般在水深 40 米以下时，固定式基础经济性较好，水 深达到 60 米，则漂浮式基础经济性较好，在 40-60 米范围内需要根据具体海洋、地质环 境具体分析。另一方面，从水动力性能、系泊性能等角度，Iberdrola 根据水深条件推荐 0-30 米使用重力式基础固定式，0-15 米水深使用单桩单桩，大于 30 米水深使用导管架， 50 米以上水深使用漂浮式风机。因此，漂浮式基础是未来走向深水海域开发的主要工具。

漂浮式风机大部分组件可于陆上建造组装，安装受窗口期影响小。固定式风机安装存在 窗口期，集中于每年 5-9 月份，且广东、福建、浙江等海域夏季经常受到台风侵扰，每 次台风过境对施工影响天数约为 7 天。漂浮式风机大部分组件可以在岸上进行建造安装，特别是浮体，可以在船厂里进行批量加工，批量制造，之后在码头进行风机安装，安装 完之后直接拖到海上就可以完成风机组装。漂浮式相比于固定式风机大大减少海上施工 窗口期的影响，很大程度上避免了海上安装时后勤条件的不确定性以及恶劣天气的停工 风险。