国外海上风力发电机组基础结构现状
黄维平1，尚景宏2，王建丰3
（1. 中国海洋大学海洋工程系，青岛，266100; 2.海油能源投资有限公司，北京，100016;
3. 中海石油研究中心，北京，100027）
摘 要：介绍了国外海上风电机组基础结构研究与工程应用现状，对重力式结构、单桩（monopile ）结构、三角架（tripod ）结构、导管架（jacket ）结构、NREL 张力腿结构、三浮体结构和Spar 结构的适用性和在我国海上风电产业发展中的应用前景进行了分析探讨。
关键词：海上风电；支撑结构；基础结构；风力发电
1. 引言
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。2006年全球风电机组新装机容量为15,197MW ，累计装机总量达74,223MW 。近几年，世界风能市场每年都在快速增长，预计未来20~25年内，世界风能市场每年将递增25%。
海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。我国近海风能资源预计可达7.5亿千瓦，是陆上风能资源3倍，海上风力发电场将成为未来发展的重点。2007年启动的国家科技支撑计划将能源作为重点领域，提出要在“十一五”期间组建近海试验风电场，形成海上风电技术。目前包括上海在内，国内沿海众多省市都在规划建设近海风电场。
海上风电开发所面临的主要挑战是发电成本，丹麦电力公司对海上风电成本的研究表明，用国际能源局（IEA ）的标准方法，按目前的技术水平和20年设计寿命计算，估测的发电成本是0.36丹麦克朗（人民币0.42元或0.05美元）/kWh。因此，如何降低海上风电成本是当前乃至今后若干年内海上风电发展的主要目标之一。海上风电成本与风电机组的基础结构有关，目前，海上风电场的总投资中，风电机组占51%、基础结构占16%、电器系统占19%、其他14%[1]。风电机组的基础结构被认为是造成海上风电成本较高的因素之一，因此，发展低成本的海上风电机组基础结构是降低海上风电成本的一个主要途径。
2. 基础结构的类型
海上风电机组基础结构研究是国内外海上风电技术发展的研究热点之一，大力发展比较经济的基础结构是海上风电场研究开发的主要课题。由于风电机组运行荷载和环境荷载的特殊性，使得海上风电机组基础结构与海洋石油平台有很大的区别。而且，海上风电场建设成本决定了海上风力发电的可行性。因此，海上风电机组基础结构必需尽可能的降低成本。就目前的发展状况而言，海上风电机组基础结构的基础可分为重力式、桩基式、桶形基础和浮式结构，而支撑塔架的结构有单柱式（single column）结构、三角架（tripod ）结构、导管架结构、Spar 、TLP 和Tri-floater [2-4]。其中桩基单立柱结构也叫单桩（monopile ）结构，是目前海上风电场应用最多的一种结构，其次是重力式结构。
DnV 规范将海上风电场的基础结构形式按照它们的属性、配置、安装方法、结构外形和材料划分为：
——桩承基础结构
——重力式基础结构
——桶形基础结构
——系泊浮式结构
根据它们结构外观形式又可分为5种基本类型：
——单桩结构
——三角架结构
——导管架结构
——重力式结构
——浮式结构
2.1 重力式结构
重力式结构（Gravity-Based ）为钢筋混凝土结构，靠自身重量和压载物的重量稳定座落在海床上，如图1(a)所示。与其它形式的基础结构相比，重力式结构的体积庞大。如英国Array West风电场，按3.6MW 风电机组设计，单桩结构重仅为400吨，而重力式结构重1500吨，但重力式结构的价格远低于单桩结构，重力式结构的成本为30万欧元，而单桩结构为60欧元，重力式结构的结构成本仅为单桩结构的二分之一。考虑安装成本等因素，重力式结构的成本比单装成本低20%左右[5]。丹麦的Vindeby 、
Tun Φ Konb 和 Middelgrunden 风电场即是采用这种型式，为混凝土沉箱型。这种基础结构简单，其稳定性和可靠性已得到证实。
另一种较新的结构是将圆柱钢管焊接在较薄的钢制基座上，填充重矿物以增加重量，此种结构便于运输和安装。基础的重量需随着水深的增加而增加，所以随着水深的增加基础建造的费用也会增加。重力式结构的适用水深为0~10m[3]。重力式结构不 适用于软基海底，且对冲刷比较敏感。
(a)重力式结构 (b)单桩结构 (c)三角架结构 (d)导管架结构 (e)桶基单立柱结构
图1. 重力式结构
2.2 单桩结构
单桩结构是桩承结构中最简单的一种结构形式，采用打桩、钻孔或喷孔方法将单桩基础安装在海底泥面以下一定的深度，单桩结构一般为钢质，如图1(b)所示。欧洲已建成的大部分海上风电场都采用了单桩结构，这种结构受到海底地质条件和水深的制约，适用水深为0~30m[3]。
单桩结构的结构形式简单，塔架与桩体有两种连接
方法：一是用法兰将塔架和桩直接连接起来，这种连接
方式对桩的施工要求甚高，因此，一般不采用这种连接。
二是通过过渡段将塔架和桩连接起来。过渡段与桩采用
灌浆连接，过渡段与塔架采用法兰连接，如图2所示。这
种连接关键是灌浆连接的强度和疲劳性能，目前采用的
灌浆材料为Ducorit S5[6]。
单桩结构在海床活动区域和海底冲刷区域是非常有图2. 单桩结构过渡段示意图
利的，主要是缘于其对水深变化的灵活性。单桩结构对振动和不直度较为敏感，因此，对设计和施工的要求较高。单桩结构的桩径一般为4~6m，最大可达7m 。因此，施工难度大，一般采用打桩或钻孔桩。
2.3 三角架结构
三角架结构与边际油田开发的简易平台相似，三根桩通过一个三角形刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体，如图1(c)所示。三角架结构的刚度大于单桩结构，且不采用灌浆连接，可以通过调整三角架来保证中心立柱的垂直度。其适用水深大于20m 。
三角架结构用三根桩取代了单桩结构的一根
桩，因此，桩径远远小于单桩结构，一般为1~2m。
因此，不需要重型施工设备，特别是深水条件下，
三角架结构的施工难度远远小于单桩结构，比较适
合我国目前的施工条件。当桩的承载能力不足时，
还可以增加桩的数量，相应地将三脚架延伸为多角
架。我国的东海大桥风电场拟采用四角架结构[7]，
如图3所示。
2.4 导管架结构
导管架结构借鉴了海洋石油平台的概念，采用了比三角架结构刚度更大的结构形式，如图1(d)所示。因此，其适用水深和可支撑的风机规格大于三角架结构。导管架的适用水深为20~50m。
导管架结构的造价高于单桩结构和三角架结构[8]，是固定式海上风电机组基础结构中适用水深最深的一种结构。导管架结构的关键部位是塔架与导管架的连接处，它控制着结构的刚度与疲劳性能。
2.5 桶基单立柱结构
桶基单立柱由一个中心立柱与钢制圆桶通过带有加强筋的剪切板相连，剪切板将中心立柱载荷分配到桶壁并传入基础。塔架与桶型基础的立柱在水面上连接，钢质桶由竖直的钢裙组成，如图1(e)所示。
桶型基础通过负压安装，由于桶内土的重力作用，桶型基础的承载机制与重力式基础相似。在一个波浪周期内，由于没有足够的时间将桶基础从海底拔出，
这就保证
图3. 四角架结构示意图
了桶型基础的稳定性。因为，当波浪的作用对桶产生拉力时，桶底和土之间的负压空间将趋于扩大。然而，负压空间的扩大必须有足够的水充填，以保证这一过程的继续。但由于波浪周期一般很短，因而，桶基础不会被拔出。不过，拆除时可以利用这个过程。桶基单立柱结构的适用水深为0~25m。
2.6 浮式结构
海上风电机组浮式基础结构用于水深50~200m的海域，对于一些浅海风能资源贫乏的国家，如美国和日本，浮式结构是海上风电机组基础结构的主要发展方向。目前，浮式结构主要有三大类——张力腿式、三（四）浮柱式和Spar 式，分别以美国国家可再生能源实验室开发的张力腿结构（NREL TLP）、荷兰开发的三浮柱结构（Tri-floater ）和日本研发的Spar 结构为代表，如图4所示。
(a)张力腿结构 (b)三浮体结构 (c) Spar结构 图4. 浮式结构示意图
3. 研究应用现状
欧洲海上风电研究始于80年代，丹麦、瑞典、荷兰、英国是最早进行海上风电开发的国家。到2005年末，投入使用的海上风电机组达到346台，装机容量达685MW ，如表1所示。其中，仅丹麦就建有8个海上风电场，装机容量达到420MW ，占欧洲总装机容量的61%。丹麦Samsoe 海上风电场，由10台Bonus2.3MW 风电机组组成，装机容量为23MW ，采用单桩基础结构，水深13.5~19.5m，距岸线3.5~6.5km，部分海底为软基海底。该风电场冬季施工，投资成本为139万欧元/MW。英国Kentish Flats海上风电场，由30台3MW 风电机组组成，装机容量为90MW 。基础结构采用单立柱结构，水深5m ，距岸线8~10km，塔架高70m ，总投资105百万英镑。
表1. 欧洲已投产海上风电场概况
名称
Vindeby
Lely
tunø Knob
Dronten
Gotland
Blyth
Middelgrunden
Uttgrunden
Yttre
Horns Rev
Samsø
Frederikshaven
North Hoyle
Nysted
Arklow Band
Scroby Sands
Kentish Flats 国家 丹麦 荷兰 建成时间 装机容量(MW)风机台数水深(m) 风机类型 基础类型 1991 4.95 11 2.5~5Bonus 450kW 重力式 重力式 1994 2.0 4 4~5 NedWind 500kW 单桩 10 3~5 Vestas 500kW 丹麦 1995 5.0 荷兰 瑞典 英国 丹麦 丹麦 瑞典 丹麦 丹麦 丹麦 英国 丹麦 爱尔兰 英国 英国 1996 11.4 19 1~2 Nordtank 600kW 单桩 1997 2.5 5 6~7 Wind World 500kW 单桩 2000 3.8 2 6 Vestas 2MW 2001 10.5 7 7~102001 10 5 8~9 2002 160 80 6~142003 23 10 11~18单桩 2001 40 20 2~6 Bonus 2MW 重力式 GE Wind 1.5MW 单桩 NEG Micon NW72 Vestas 2MW 单桩 单桩 Bonus 2.3MW 单桩 2 Vestas 3MW 2003 10.6 4 1 1 Bonus 2.3MW 桶型基础 1 Nordex 2.3MW 2003 60 30 12 Vestas 2MW 单桩 2004 166 72 6~9.5Bonus 2.3MW 重力式 单桩 单桩 单桩 2004 25.2 7 4~6 GE 3.6MW 2004 60 30 21 Vestas 2MW 2005 90 30 5 Vestas 3MW
从表中的数据可以看出，目前已建成的海上风电场采用的基础结构形式主要是单桩结构、重力式结构和桶型基础。其中，单桩结构支撑的最大风机规格为3.6MW ，最大水深为21m ；重力式结构支撑的最大风机规格为2.3MW ，最大水深为9.5m ；桶型基础支撑的最大风机规格为3MW ，最大水深为1m 。
美国海上风电的发展目标首先锁定浅滩，然后发展至深水；主要采用单机容量为5MW 或更大的风机。目前正在研制深水技术，技术进步的同时，也将注重成本控制，确保海上风电健康发展。作为美国首座海上风电场，美国东北部鳕鱼岬（Cape Cod）的鳕鱼岬海上风电场（Cape Wind）现已建设完成。该风电场由170个变桨距上风向的三叶式风力发电机组成，风机的排列力求使电场达到454MW 这个最大的总容量，相应所需的风速在14m/s至25m/s。如平均风速为9m/s，则传输至电网的年发电量达
1.5GWh 。
图5为美国Long Island海上风电场，由40台3.6MW 风电机组组成，总装机容量144MW 。采用单桩结构，水深
顺应全球风力发电的发展趋势，加拿大风电产业迅猛发展。在British Columbia省的Queen Charlotte岛，正在兴建一个Nai Kum海上风电项目，该项目是北美海上风电项目中最大的一项，总容量达700MW ，与德国ABB New Ventures工程开发公司合作完成。一期的10个风力发电机已经于2005年安装完成。该工程类似于美国的Cape wind海上风电场，将决定加拿大海上风电的发展前景。
海上风电机组基础结构的成本包括材料成本、建造成本和施工成本，重力式结构的材料和建造成本只有单桩结构的50%，但由于施工成本较高，重力式结构的综合成本为单桩结构的80%。因此，施工技术的进步也是国外海上风电产业研究的一个重点。
目前，国外重力式结构的施工技术已经形成了比较完整的体系，运输与海上安装都采用专用设备和技术，如图6所示。
钢结构的施工技术中，三角架和导管架结构的施工技术与海洋石油平台施工技术相似，而单桩结构的施工技术中大直径桩的贯入技术是海上风电场建设中发展起来的一项先进的施工技术。
图6. 重力式结构海上施工示意图
图5. 美国Long Island
海上风电场
4. 发展趋势
海上风电场的发电成本与规模有关，包括单机容量和风电机组的台数。铺设150MW 海上风电场用的海底电缆与100MW 的差不多，机组的大规模生产和采用钢结构基础可降低成本。目前，海上风电场的最佳规模为120～150MW 。
单机容量是海上风电场发电成本的一个关键因素，单机容量越大，其发电成本越低。不断地增大单机容量已经成为海上风电场的发展趋势，因此，开发大兆瓦的海上
风力发电机组成为世界各国风机制造业的研发目标，其发展趋势是向着10MW 的风力发电机迈进。
海上风电机组基础结构的成本也是制约海上风力发电技术发展的一个瓶颈，因此，有效地降低基础结构的成本，开发低成本的海上风电机组基础结构是国外海上风电技术发展的另一个趋势。基础结构的成本主要由三部分组成——材料成本、建造成本和施工成本，目前用于海上风电机组基础结构的材料主要有混凝土和钢材。由于混凝土的材料成本远远低于钢材，因此，国外将重力式结构作为浅水风电机组基础结构的发展目标。钢结构中，单桩结构的成本较低，因此，国外已建风电场较多地采用了单桩结构。除成本较低外，单桩结构还具有对海底冲刷不敏感的优点，因此，扩大单桩结构的适用水深成为海上风电机组基础结构的发展趋势之一。
随着单机容量和水深的增加，新型海上风电机组基础结构的开发也将成为海上风电技术的研究热点。
5. 结语
我国海上风电产业正在迅速崛起，海上风电产业将是我国“十一五”乃至今后一个时期的发展方向。因此，积极地吸收国外海上风电产业发展的经验和教训，大力发展具有我国独立知识产权的海上风电技术是当前国内相关行业的研究工作重点。本文的目的旨在向国内同行介绍国外海上风电技术发展中与海洋工程密切相关的海上风电机组基础结构的现状和发展趋势，以利于我国海上风电技术的发展。
参考文献:
[1] 刘万琨、张志英、李银凤、赵萍. 风能与风力发电技术[M]. 北京：化学工业出版社，2007.
[2] Van Wingerde, A.M.; Van Delft, D.R.V.; Packer, J.A.; Janssen, L.G.J.. Survey of support structures
for offshore wind turbines[J]. Welding in the World, 2006, 50(SPEC): 49-55.
[3] DNV-OS-J101, Design of offshore wind turbine structures[S]. 2004.
[4] Zhen-Zhe Chen, Niels Jacob Tarp-Johansen and Jørgen Juncher Jensen. Mechanical characteristics
of some deepwater floater designs for offshore wind turbines[J]. Wind Engineering, 2006, 30(5): 417–430.
[5] Per Vølund. Concrete is the future for offshore foundations[C]. Proceedings of the Offshore Wind
Energy Conference, Copenhagen Denmark, 2005.
[6] H. Carstens, H.B. Nielsen, H.M. Hansen. Lowering costs by individual design of foundation
structures[C]. Copenhagen Offshore Wind 2005
[7] 林毅峰、李健英、沈达、宋础. 东海大桥海上风电场风机地基基础特性及设计. 上海电力[J]，
2007，(2): 153-157.
[8] Peter Schaumann1, Cord Böker. Can jackets and tripods compete with monopiles[C]. Proceedings of
the Offshore Wind Energy Conference, Copenhagen Denmark, 2005.
国外海上风力发电机组基础结构现状
黄维平1，尚景宏2，王建丰3
（1. 中国海洋大学海洋工程系，青岛，266100; 2.海油能源投资有限公司，北京，100016;
3. 中海石油研究中心，北京，100027）
摘 要：介绍了国外海上风电机组基础结构研究与工程应用现状，对重力式结构、单桩（monopile ）结构、三角架（tripod ）结构、导管架（jacket ）结构、NREL 张力腿结构、三浮体结构和Spar 结构的适用性和在我国海上风电产业发展中的应用前景进行了分析探讨。
关键词：海上风电；支撑结构；基础结构；风力发电
1. 引言
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。2006年全球风电机组新装机容量为15,197MW ，累计装机总量达74,223MW 。近几年，世界风能市场每年都在快速增长，预计未来20~25年内，世界风能市场每年将递增25%。
海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。我国近海风能资源预计可达7.5亿千瓦，是陆上风能资源3倍，海上风力发电场将成为未来发展的重点。2007年启动的国家科技支撑计划将能源作为重点领域，提出要在“十一五”期间组建近海试验风电场，形成海上风电技术。目前包括上海在内，国内沿海众多省市都在规划建设近海风电场。
海上风电开发所面临的主要挑战是发电成本，丹麦电力公司对海上风电成本的研究表明，用国际能源局（IEA ）的标准方法，按目前的技术水平和20年设计寿命计算，估测的发电成本是0.36丹麦克朗（人民币0.42元或0.05美元）/kWh。因此，如何降低海上风电成本是当前乃至今后若干年内海上风电发展的主要目标之一。海上风电成本与风电机组的基础结构有关，目前，海上风电场的总投资中，风电机组占51%、基础结构占16%、电器系统占19%、其他14%[1]。风电机组的基础结构被认为是造成海上风电成本较高的因素之一，因此，发展低成本的海上风电机组基础结构是降低海上风电成本的一个主要途径。
2. 基础结构的类型
海上风电机组基础结构研究是国内外海上风电技术发展的研究热点之一，大力发展比较经济的基础结构是海上风电场研究开发的主要课题。由于风电机组运行荷载和环境荷载的特殊性，使得海上风电机组基础结构与海洋石油平台有很大的区别。而且，海上风电场建设成本决定了海上风力发电的可行性。因此，海上风电机组基础结构必需尽可能的降低成本。就目前的发展状况而言，海上风电机组基础结构的基础可分为重力式、桩基式、桶形基础和浮式结构，而支撑塔架的结构有单柱式（single column）结构、三角架（tripod ）结构、导管架结构、Spar 、TLP 和Tri-floater [2-4]。其中桩基单立柱结构也叫单桩（monopile ）结构，是目前海上风电场应用最多的一种结构，其次是重力式结构。
DnV 规范将海上风电场的基础结构形式按照它们的属性、配置、安装方法、结构外形和材料划分为：
——桩承基础结构
——重力式基础结构
——桶形基础结构
——系泊浮式结构
根据它们结构外观形式又可分为5种基本类型：
——单桩结构
——三角架结构
——导管架结构
——重力式结构
——浮式结构
2.1 重力式结构
重力式结构（Gravity-Based ）为钢筋混凝土结构，靠自身重量和压载物的重量稳定座落在海床上，如图1(a)所示。与其它形式的基础结构相比，重力式结构的体积庞大。如英国Array West风电场，按3.6MW 风电机组设计，单桩结构重仅为400吨，而重力式结构重1500吨，但重力式结构的价格远低于单桩结构，重力式结构的成本为30万欧元，而单桩结构为60欧元，重力式结构的结构成本仅为单桩结构的二分之一。考虑安装成本等因素，重力式结构的成本比单装成本低20%左右[5]。丹麦的Vindeby 、
Tun Φ Konb 和 Middelgrunden 风电场即是采用这种型式，为混凝土沉箱型。这种基础结构简单，其稳定性和可靠性已得到证实。
另一种较新的结构是将圆柱钢管焊接在较薄的钢制基座上，填充重矿物以增加重量，此种结构便于运输和安装。基础的重量需随着水深的增加而增加，所以随着水深的增加基础建造的费用也会增加。重力式结构的适用水深为0~10m[3]。重力式结构不 适用于软基海底，且对冲刷比较敏感。
(a)重力式结构 (b)单桩结构 (c)三角架结构 (d)导管架结构 (e)桶基单立柱结构
图1. 重力式结构
2.2 单桩结构
单桩结构是桩承结构中最简单的一种结构形式，采用打桩、钻孔或喷孔方法将单桩基础安装在海底泥面以下一定的深度，单桩结构一般为钢质，如图1(b)所示。欧洲已建成的大部分海上风电场都采用了单桩结构，这种结构受到海底地质条件和水深的制约，适用水深为0~30m[3]。
单桩结构的结构形式简单，塔架与桩体有两种连接
方法：一是用法兰将塔架和桩直接连接起来，这种连接
方式对桩的施工要求甚高，因此，一般不采用这种连接。
二是通过过渡段将塔架和桩连接起来。过渡段与桩采用
灌浆连接，过渡段与塔架采用法兰连接，如图2所示。这
种连接关键是灌浆连接的强度和疲劳性能，目前采用的
灌浆材料为Ducorit S5[6]。
单桩结构在海床活动区域和海底冲刷区域是非常有图2. 单桩结构过渡段示意图
利的，主要是缘于其对水深变化的灵活性。单桩结构对振动和不直度较为敏感，因此，对设计和施工的要求较高。单桩结构的桩径一般为4~6m，最大可达7m 。因此，施工难度大，一般采用打桩或钻孔桩。
2.3 三角架结构
三角架结构与边际油田开发的简易平台相似，三根桩通过一个三角形刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体，如图1(c)所示。三角架结构的刚度大于单桩结构，且不采用灌浆连接，可以通过调整三角架来保证中心立柱的垂直度。其适用水深大于20m 。
三角架结构用三根桩取代了单桩结构的一根
桩，因此，桩径远远小于单桩结构，一般为1~2m。
因此，不需要重型施工设备，特别是深水条件下，
三角架结构的施工难度远远小于单桩结构，比较适
合我国目前的施工条件。当桩的承载能力不足时，
还可以增加桩的数量，相应地将三脚架延伸为多角
架。我国的东海大桥风电场拟采用四角架结构[7]，
如图3所示。
2.4 导管架结构
导管架结构借鉴了海洋石油平台的概念，采用了比三角架结构刚度更大的结构形式，如图1(d)所示。因此，其适用水深和可支撑的风机规格大于三角架结构。导管架的适用水深为20~50m。
导管架结构的造价高于单桩结构和三角架结构[8]，是固定式海上风电机组基础结构中适用水深最深的一种结构。导管架结构的关键部位是塔架与导管架的连接处，它控制着结构的刚度与疲劳性能。
2.5 桶基单立柱结构
桶基单立柱由一个中心立柱与钢制圆桶通过带有加强筋的剪切板相连，剪切板将中心立柱载荷分配到桶壁并传入基础。塔架与桶型基础的立柱在水面上连接，钢质桶由竖直的钢裙组成，如图1(e)所示。
桶型基础通过负压安装，由于桶内土的重力作用，桶型基础的承载机制与重力式基础相似。在一个波浪周期内，由于没有足够的时间将桶基础从海底拔出，
这就保证
图3. 四角架结构示意图
了桶型基础的稳定性。因为，当波浪的作用对桶产生拉力时，桶底和土之间的负压空间将趋于扩大。然而，负压空间的扩大必须有足够的水充填，以保证这一过程的继续。但由于波浪周期一般很短，因而，桶基础不会被拔出。不过，拆除时可以利用这个过程。桶基单立柱结构的适用水深为0~25m。
2.6 浮式结构
海上风电机组浮式基础结构用于水深50~200m的海域，对于一些浅海风能资源贫乏的国家，如美国和日本，浮式结构是海上风电机组基础结构的主要发展方向。目前，浮式结构主要有三大类——张力腿式、三（四）浮柱式和Spar 式，分别以美国国家可再生能源实验室开发的张力腿结构（NREL TLP）、荷兰开发的三浮柱结构（Tri-floater ）和日本研发的Spar 结构为代表，如图4所示。
(a)张力腿结构 (b)三浮体结构 (c) Spar结构 图4. 浮式结构示意图
3. 研究应用现状
欧洲海上风电研究始于80年代，丹麦、瑞典、荷兰、英国是最早进行海上风电开发的国家。到2005年末，投入使用的海上风电机组达到346台，装机容量达685MW ，如表1所示。其中，仅丹麦就建有8个海上风电场，装机容量达到420MW ，占欧洲总装机容量的61%。丹麦Samsoe 海上风电场，由10台Bonus2.3MW 风电机组组成，装机容量为23MW ，采用单桩基础结构，水深13.5~19.5m，距岸线3.5~6.5km，部分海底为软基海底。该风电场冬季施工，投资成本为139万欧元/MW。英国Kentish Flats海上风电场，由30台3MW 风电机组组成，装机容量为90MW 。基础结构采用单立柱结构，水深5m ，距岸线8~10km，塔架高70m ，总投资105百万英镑。
表1. 欧洲已投产海上风电场概况
名称
Vindeby
Lely
tunø Knob
Dronten
Gotland
Blyth
Middelgrunden
Uttgrunden
Yttre
Horns Rev
Samsø
Frederikshaven
North Hoyle
Nysted
Arklow Band
Scroby Sands
Kentish Flats 国家 丹麦 荷兰 建成时间 装机容量(MW)风机台数水深(m) 风机类型 基础类型 1991 4.95 11 2.5~5Bonus 450kW 重力式 重力式 1994 2.0 4 4~5 NedWind 500kW 单桩 10 3~5 Vestas 500kW 丹麦 1995 5.0 荷兰 瑞典 英国 丹麦 丹麦 瑞典 丹麦 丹麦 丹麦 英国 丹麦 爱尔兰 英国 英国 1996 11.4 19 1~2 Nordtank 600kW 单桩 1997 2.5 5 6~7 Wind World 500kW 单桩 2000 3.8 2 6 Vestas 2MW 2001 10.5 7 7~102001 10 5 8~9 2002 160 80 6~142003 23 10 11~18单桩 2001 40 20 2~6 Bonus 2MW 重力式 GE Wind 1.5MW 单桩 NEG Micon NW72 Vestas 2MW 单桩 单桩 Bonus 2.3MW 单桩 2 Vestas 3MW 2003 10.6 4 1 1 Bonus 2.3MW 桶型基础 1 Nordex 2.3MW 2003 60 30 12 Vestas 2MW 单桩 2004 166 72 6~9.5Bonus 2.3MW 重力式 单桩 单桩 单桩 2004 25.2 7 4~6 GE 3.6MW 2004 60 30 21 Vestas 2MW 2005 90 30 5 Vestas 3MW
从表中的数据可以看出，目前已建成的海上风电场采用的基础结构形式主要是单桩结构、重力式结构和桶型基础。其中，单桩结构支撑的最大风机规格为3.6MW ，最大水深为21m ；重力式结构支撑的最大风机规格为2.3MW ，最大水深为9.5m ；桶型基础支撑的最大风机规格为3MW ，最大水深为1m 。
美国海上风电的发展目标首先锁定浅滩，然后发展至深水；主要采用单机容量为5MW 或更大的风机。目前正在研制深水技术，技术进步的同时，也将注重成本控制，确保海上风电健康发展。作为美国首座海上风电场，美国东北部鳕鱼岬（Cape Cod）的鳕鱼岬海上风电场（Cape Wind）现已建设完成。该风电场由170个变桨距上风向的三叶式风力发电机组成，风机的排列力求使电场达到454MW 这个最大的总容量，相应所需的风速在14m/s至25m/s。如平均风速为9m/s，则传输至电网的年发电量达
1.5GWh 。
图5为美国Long Island海上风电场，由40台3.6MW 风电机组组成，总装机容量144MW 。采用单桩结构，水深
顺应全球风力发电的发展趋势，加拿大风电产业迅猛发展。在British Columbia省的Queen Charlotte岛，正在兴建一个Nai Kum海上风电项目，该项目是北美海上风电项目中最大的一项，总容量达700MW ，与德国ABB New Ventures工程开发公司合作完成。一期的10个风力发电机已经于2005年安装完成。该工程类似于美国的Cape wind海上风电场，将决定加拿大海上风电的发展前景。
海上风电机组基础结构的成本包括材料成本、建造成本和施工成本，重力式结构的材料和建造成本只有单桩结构的50%，但由于施工成本较高，重力式结构的综合成本为单桩结构的80%。因此，施工技术的进步也是国外海上风电产业研究的一个重点。
目前，国外重力式结构的施工技术已经形成了比较完整的体系，运输与海上安装都采用专用设备和技术，如图6所示。
钢结构的施工技术中，三角架和导管架结构的施工技术与海洋石油平台施工技术相似，而单桩结构的施工技术中大直径桩的贯入技术是海上风电场建设中发展起来的一项先进的施工技术。
图6. 重力式结构海上施工示意图
图5. 美国Long Island
海上风电场
4. 发展趋势
海上风电场的发电成本与规模有关，包括单机容量和风电机组的台数。铺设150MW 海上风电场用的海底电缆与100MW 的差不多，机组的大规模生产和采用钢结构基础可降低成本。目前，海上风电场的最佳规模为120～150MW 。
单机容量是海上风电场发电成本的一个关键因素，单机容量越大，其发电成本越低。不断地增大单机容量已经成为海上风电场的发展趋势，因此，开发大兆瓦的海上
风力发电机组成为世界各国风机制造业的研发目标，其发展趋势是向着10MW 的风力发电机迈进。
海上风电机组基础结构的成本也是制约海上风力发电技术发展的一个瓶颈，因此，有效地降低基础结构的成本，开发低成本的海上风电机组基础结构是国外海上风电技术发展的另一个趋势。基础结构的成本主要由三部分组成——材料成本、建造成本和施工成本，目前用于海上风电机组基础结构的材料主要有混凝土和钢材。由于混凝土的材料成本远远低于钢材，因此，国外将重力式结构作为浅水风电机组基础结构的发展目标。钢结构中，单桩结构的成本较低，因此，国外已建风电场较多地采用了单桩结构。除成本较低外，单桩结构还具有对海底冲刷不敏感的优点，因此，扩大单桩结构的适用水深成为海上风电机组基础结构的发展趋势之一。
随着单机容量和水深的增加，新型海上风电机组基础结构的开发也将成为海上风电技术的研究热点。
5. 结语
我国海上风电产业正在迅速崛起，海上风电产业将是我国“十一五”乃至今后一个时期的发展方向。因此，积极地吸收国外海上风电产业发展的经验和教训，大力发展具有我国独立知识产权的海上风电技术是当前国内相关行业的研究工作重点。本文的目的旨在向国内同行介绍国外海上风电技术发展中与海洋工程密切相关的海上风电机组基础结构的现状和发展趋势，以利于我国海上风电技术的发展。
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