欢迎访问标准论文网!本站提供各专业优秀论文范文供大家学习参考。网站地图论文怎么写
在线咨询:
您当前所在位置:标准论文网 > 工程论文 >

海上风力发电基础设计与技术原理

添加时间:2019-01-30 09:12

  摘    要: 利用海上风力资源发电来缓解电力供应日益紧张的局面和应对传统电力生产带来的环境问题, 是目前很多国家能源发展政策的战略导向。由于受到海床工程地质条件、海上风力电场工程施工技术资源以及海上自然环境当中复杂的荷载变化情况的制约, 建设海上风力发电场的多种关键技术还处于在实践中不断探索的阶段。本文通过简要介绍国内外海上风力发电技术的发展和应用情况, 分析目前普遍应用和重点研究的几种海上风力发电技术应用中最关键的基础设计形式的技术特点、在我国的适用性及其经济性, 并且对我国发展海上风力发电的关键技术进行了分析与展望。

  关键词: 基础形式; 海上风力发电; 技术特点; 研究方向; 关键技术;

  1 引言

  由于人类社会生产和生活方式的发展, 电能是使用技术最为成熟和应用最为广泛的能源。因此对天然能源最有效的利用方式是将这些能源首先转化为电能, 将电力能源供应给个人或者企业用户之后, 再根据具体使用需要将其转变成动能、热能以及光能等形式。因此能量的转换技术是现代人类社会生产和生活中应用的最关键的技术之一, 而发电技术是其中影响最深远的一种。

  2 海上风力发电技术的发展及应用概况

  2.1 海上风力发电技术概述

  与传统能源的开采利用相比, 扑捉和利用海上风力资源面临空前的技术难题。这些技术问题涵盖了能量转换设备的设计研发、发电设备的安装施工、海上风力发电电能的传输和供电网络的建设以及海上风力电场的运维管理等方面。因此尽管早在二十世纪的七十年代就有人提出了利用海上风力发电的设想, 但是全面的科学研究和实践应用到上个世纪末才真正的全面展开。这由于与陆地风力发电技术的研究相比, 海上风力发电面临的复杂施工地质环境缺乏成熟和可借鉴的工程技术做为基础, 针对海水的波浪冲击、海冰影响、海水腐蚀以及海上风力和风向变化也没有系统的荷载计算和分析标准。另一方面因为特殊的工程环境和施工、运输以及运维技术需要等因素, 造成海上风力发电场建设缺少足够的成熟经验做为参考, 导致建设海上风力发电场的投资规模和回报率具有很多不确定性, 因而海上风力发的商用推广近十年才随着相关技术的日渐成熟真正展开。

  2.2 国内外海上风力发电技术的发展概况

  海上风力发电技术在上个世纪的最后十年取得了突破, 其中德国、英国和丹麦由于有比较丰富的利用风能发电的技术基础, 并且在海上工程施工技术和风力发电设备的制造技术方面具有相对丰富的技术资源, 因此目前这几个国家的海上风力发电技术已经处于明显的领先地位。而鉴于传统能源枯竭的趋势难以逆转、水力发电已经没有足够的潜力可以挖掘以及火力发电产生的环境问题, 美国和日本等发达国家纷纷将发展海上风力发电技术列入了国家的能源发展战略, 并且美国和欧盟都对未来几年海上风力发电在发电总量当中所占的比例提出了战略要求, 致力于逐步提高海上风力发电的比率[1]。而我国有非常优越的海上风力发电环境条件, 拥有漫长的海岸线并且沿岸的海水深度相对较浅, 因此我国政府对发展海上风力发电技术给予了极大的支持。我国目前已经制定了建设海上风力发电场的明确战略目标, 已建成和在建的海上风力发电场项目数量都在极速增长, 据有关部门的统计数据显示, 在2016年底我国的海上风力发电装机容量已经位列世界第三。并且从发展势头来看, 在未来几年中国的海上风力发电装机新增容量在世界所有国家和地区中所占的比例会迅速提高。而目前英国依然稳居海上风力发电装机容量的第一位, 所占的比例超过40%, 德国则紧随其后。
 

海上风力发电基础设计与技术原理
 

  3 海上风力发电基础形式及其关键技术原理简析

  3.1 海上风力发电基础设计分类概述

  设置在海上的风力发电的主要设备需要有具有一定承重能力和稳定性的基础, 才能够稳定可靠的捕捉和转化海上的风能, 因此基础的设计主要需要考虑其承重能力和在复杂的海上环境与风电设备运转带来的荷载下工作的稳定性。根据基础与海床之间的相对关系, 目前的设计基本可以分为固定式和悬浮式两种。其中悬浮式的基础设计是针对海水深度大于五十米的情况, 参照海上石油天然气开采平台的建设技术而研究的, 目前还没有具体的实践应用[2]。而因海床工程地质条件和海水深度的不同, 固定式基础的具体结构又分为多种形式。

  3.2 重力式基础原理及其技术要点

  重力式的海上风力发电基础设计是在传统的船坞和码头工程技术的基础上, 根据风电设备的运行和安装需要改进而成, 因此基础的设计、预制、运输和安装技术都比较成熟。其原理是利用基础自身材料的和所承载的风电设备的重力, 实现整个发电设施在海床上的稳定运行, 因此在具体的技术参数的设计中的关键是计算风电设施的运转和环境带来的荷载[3]。目前重力式基础的应用主要受到海床工程地质条件、海水深度和经济性的限制, 首先由于重力式基础的稳定性要求海床天然结构比较坚实, 并且在预制的基础沉入海底之前需要对海床进行预处理, 而在我国很多近海海床存在软土层, 导致预处理所需要耗费的成本比较可观;其次由于技术条件和经济性所限, 目前重力式基础的使用仅限于海水深度小于10m的海域。

  3.3 桩基式基础技术原理及其应用

  在目前已经建成的海上风力发电场当中, 桩式基础的应用占有最大的比例, 尤其是其中的单桩式基础, 是海上风电大国丹麦海上电场建设的主要基础形式。这一方面是因为这一设计形式的施工技术相对简单和经济, 另一方面与丹麦沿海的海床工程地质条件有关。单桩式基础的材料采用大径空心柱形钢管, 利用大功率的打桩设备直接嵌入海床, 为了实现风电设施在海上的可靠稳定运行, 单体式的钢管直径最大可达六米, 能够适用的海水最大深度为30m。但是由于来自海水、海风和风机运行荷载的承载形式所限, 这种风电设施基础形式对海床工程地质的要求相对较高, 而且由于目前海上风力发电机组的单机容量越来越大, 单桩的直径过大导致其经济性变差和面临施工技术瓶颈。因此在实践应用过程中又演化出了单立柱三桩、导管架式以及多桩承台式等多种桩基式基础, 通过复杂的结构形式来增强基础的稳定性和对施工地质条件、荷载变化规律的适应性[4]。其中的导管架式基础由于良好的经济性和广泛的适用性而获得了较多应用, 而多桩承台式基础在海上石油和天然气开采平台建设中有着广泛应用, 因此在我国有着比较丰富的设计使用经验和施工技术资源, 因此在国内的海上风力发电场建设中有所应用。

  3.4 负压式基础设计原理及其关键技术分析

  鉴于重力式基础在预制和运输方面所受到的限制, 科研人员基于运用外力将整个风电设施与海床之间进行固定的考虑, 设计了桶式结构的基础, 并且在安装就位之后在桶式基础的空腔内制造负压, 让基础依靠负压的作用吸附在海床之上[5]。这一设计形式的实践应用的关键制约因素是海床附近海水的冲刷和海水的腐蚀作用, 因为利用负压固定在海床上的基础一旦因外力作用受到损坏, 立即会影响风电设施的稳定性, 因此这种基础形式目前还没有在海上风电场建设中应用的案例。

  3.5 悬浮式基础设计原理及其关键技术

  悬浮式基础设计研究的出发点是开发利用远海和深水海域上的风力资源, 这项技术的研究也建立在已有的海上油气开采平台建设技术的基础上, 目前美国和日本在这一方面都取得了实质性的进展, 但是碍于远海和深水区域风电场建设、运营和维护的经济性和相关技术的不成熟, 目前也还处于探索的阶段。

  4 海上风力发电场建设关键技术的研究方向与发展趋势

  国际上海上风力发电场的建设在近几年才有了快速的发展, 其中2015年更是出现了新增装机容量比前一年增长98%的高峰。但是这几年海上风力发电技术的应用增长并不代表着这项技术已经足够成熟, 在解决风电场建设的经济性方面依然存在大量的技术性难点, 例如为提高工程的经济性而不断扩大的风电机组容量目前很难突破5MW, 另外在海上电场的运营和维护方面也还要解决很多技术问题[6]。未来的研究方向应当包括如何通过智能化的控制技术提高风机运行的稳定性和效率并实现电场运行故障的远程诊断和排除、运用高科技手段解决电场建设中的工程技术问题、通过新材料和新工艺的研发提高发电设备的工作性能和运行的可靠性等。

  5 结束语

  在海上风力发电技术研究和应用领域, 我国正在逐渐接近国际领先的水平, 并且在海上风力发电场的建设方面正在取得快速的进步, 相信未来不久就会在海上风力发电技术研究方面取得更有价值的成果。

  参考文献:

  [1]焦忠虎, 肖纪升.海上风力发电基础形式及关键技术分析[J].中国高新技术企业, 2016 (1) :145~146.
  [2] 辛硕.海上风电基础型式与设计选型[J].科学与财富, 2016 (5) .
  [3]苏凯, 王健, 倪森.海上风电基础结构研究现状及发展趋势[J].中国新通信, 2016 (1) .
  [4]贾晓辉, 关辉.浅谈国内外海上风电基础型式与发展趋势[J].中国设备工程, 2017 (12) :131~132.
  [5]迟春广.海上风电基础研究现状[J].山西建筑, 2018 (7) .
  [6]闵兵, 王梦川, 傅小荣, 等.海上风电是风电产业未来的发展方向——全球及中国海上风电发展现状与趋势[J].国际石油经济, 2016 (4) :29~36.