1 地基基础结构是海上风电的关键技术
1.1 利用风能是世界能源结构转变的重要内容
风能取之不尽, 用之不竭, 是非常重要的一种洁净的可再生能源, 是人类能源结构转变中一个非常重要的部分。而我国传统的煤炭和石油资源并不多, 所以更应进行可再生能源的利用开发。风力发电是目前利用风能的重要形式, 也是多种可再生能源利用技术中比较成熟的一种。当今世界上风力发电正以30%的年增长率速度发展, 如德国风电比重已超过发电总容量的40%, 发电量2.5×1010kW/h, 首次超过水电的2.1×1010kW/h。我国在2006年1月1日《可再生能源法》正式生效。我国风能资源丰富, 可开发利用约2.5×108kW, 然而至今风电所占比重还不到1%。
1.2 海上风电与陆上风电相比的优势
风力发电场分为陆地和海上两种。海上风电场以它更多的优势, 备受新能源开发商的青睐。与陆上风点场相比, 海上风电场有以下优势: (1) 高风速、低风切变。由于海水面十分光滑, 与陆地表面相比, 粗糙度较小, 摩擦力也较小, 因此, 风速较大, 风速、风向及风切变 (及风速随高度的变化) 的变化也较小; (2) 低湍流。海上风湍流强度小, 具有稳定的主导风向, 机组承受的疲劳负荷较低, 风机寿命更长; (3) 高产出。海上风电场允许安装单机容量更大的风机, 高者可达8MW~10MW;由于对噪音要求较低, 更高的转速比及电压可获取的能量更高。 (4) 陆地风电场的年利用时数为2000h, 最高也不过2600h, 而海上风电场可达3000h。
1.3 我国急需大力发展海上风电
目前, 海上风电场的开发大部分在欧洲的丹麦、德国、荷兰、英国、瑞典、爱尔兰等国家。据专家预计, 到2010年和2020年, 欧洲海上风电总装机容量将分别达到1000万kw和7000万kw。2007年11月28日, 地处渤海辽东湾的中国首座海上风力发电站正式投入运营;我国首座、也是亚洲首座海上风力发电场——东海大桥风电场首批3台机组从2009年9月4日21时15分起正式并网发电, 2010年6月34台3MW风机全部并网发电。这标志着我国海上风力发电产业稳稳走出了第一步。到2020年, 我国风电装机容量将达20000MW, 国产化率将达85%, 其中50%将建于海上, 造价应降至5000元/kW。所以可看出, 目前我国的海上风力发电才刚刚起步, 离要求还有很大距离, 急需大力发展。
1.4 地基基础结构是海上风电的关键技术
制约我国海上风电场建设的因素很多, 主要是由于海上的恶劣施工环境造成的海上风电场的巨大投资成本。
高耸建筑物基础工程对整个建筑物的安全和寿命有着举足轻重的影响, 海上风机基础结构具有海洋结构工程、高耸结构基础、动力设备基础和复杂软土地基等4种特性, 各种特性的组合增加了基础设计的难度, 再加恶劣的海上工作环境等因素, 使得基础结构成为了风电投资中主要的成本风险。在满足安全的前提下, 如何降低成本且施工方便, 又成为基础结构设计的关键技术难题。因此, 基础结构对开发海上风电场的重要性自然不言而喻了。
根据欧洲己建成的海上风电场数据显示, 在海上风电场中, 以地基基础为主体的支撑结构占初始资本投资的25%左右, 电网连接成本占初始资本投资的20%左右, 比陆上风电项目高得多;风电机组占初始资本投资的50%左右, 与陆地上的差不多。可以看出, 海上风电场建设中基础结构在投资成本中占有较大的比重。
调查海上风力发电机组损坏主要原因的比例后发现, 发电机组由于支撑结构原因而损坏的比例最大, 达到了18%, 这也从另一方面说明支撑结构设计在整个机组设计中的重要地位。
2 海上风电桩基础承载性能
就目前发展情况来看, 海上风电地基基础从结构型式上可分为5种基本类型:单立柱结构、三桩腿结构、四桩腿结构、重力式结构、浮式结构。其中, 前三种属于桩基础结构。
欧洲是发展海上风电最早、最多的地区, 调查欧洲从1990年到2010年有代表性的海上风电场24座, 其中基础结构型式为桩基础的占到20座 (离岸0.35km~25km, 水深2m~45m) , 占总数的83%。我国东海大桥风电场的基础也是高桩结构。应用桩基础的最大水深一般为80m左右。重力式结构、浮式结构目前很少被采用, 因为重力式结构的成本太高, 虽然应用浮式结构的水深可达900m, 但现在世界上风力发电场的水深基本还在45m以内, 大规模使用浮式结构还需要相当长的一段时期。因此, 目前及以后一段时间内, 应用和研究海上风力发电的基础结构主要应该是桩基础。所以, 海上风电基础的主要研究对象是桩基础, 更确切地说, 就是以桩基础为主体, 包含塔架和海底地基的支撑结构体系, 简称桩基础支撑结构体系。
从前面的分析知, 海上风力发电的成本中以地基基础为主体的支撑结构占初始资本投资的25%左右, 因此, 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, 由于风机成本一定, 而那么如何设计一个能满足技术条件并且能有效减少成本的支撑结构将成为课题研究的重点方向, 即应研究海上风力发电中桩基础支撑结构体系的经济性问题, 这就涉及到结构的优化。从前面的分析也发现, 发电机组由于以地基基础为主体的支撑结构原因而损坏的比例最大, 达18%, 因此, 我们应研究桩基础支撑结构体系在风、波浪等周期性荷载作用下的承载性状。将塔架、桩基础、海底地基看成一个体系即桩基础支撑结构体系, 主要研究该结构体系在海上各荷载作用下的结构优化、动力响应和疲劳问题。该研究能为我国海上风力发电的加快发展及其既经济又安全的运营提供指导和依据, 具有重要的理论意义和实际价值。
摘要：本文经分析认为地基基础结构是海上风电的关键技术, 应加强桩基础支撑结构体系在风、波浪等周期性荷载作用下的承载性状方面的研究。
关键词：桩基础,风力发电,海上,承载性能