海上风电基础

海上风能资源丰富稳定，全球风电开发呈现由陆上向近海发展的趋势。

海上的摩擦系数小，平均风速较大，湍流影响小，所以近岸海上是理想的风电场所，不过由于造价较高（一般为陆上2-3倍），限制了建造的规模。

随着海上风力发电的迅速发展，一排排整齐的风机屹立于海面之上，这不禁令人感慨，这些庞然大物是如何耸立在水中不倒的呢？

其实就像各种建筑施工一样，每台海上风机都要有自己的地基，那就是基础。

根据海上风机支撑技术的不同，目前海上风机基础可归为固定式（Fixed bottom）和浮式（Floating）两大类。

固定式根据底座和支撑结构形式的不同，主要分为以下几种：单桩式基础（Monopile）、三角架基础（Tripod）、桩基承台基础（Pile cap）、三桩式基础（Tripile）、导管架基础（Jacket）、重力式基础（Gravity-Based）、吸力式基础（Suction bucket）。

1单桩式基础（Monopile）

结构最简单，应用最广泛，由钢板卷制而成的焊接钢管组成。

底座采用钢材+混凝土的组合提供强度，重量，连接结构内采用灌浆，底座和支撑结构连接处加入泥浆固化连接。

Monopile形式需要特别校核疲劳强度。

单桩式基础通常用于30米水深以内。

优点：结构简单，建造、安装方便，基础费用小。

缺点：结构刚度小、固有频率低，受海底地质条件和水深约束大，对冲刷敏感，需要专用安装设备，安装费用较高。

代表工程：英国London Array海上风电场

2三角架基础（Tripod）

三角架基础陆上预制，水下灌浆。

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。

三角架基础比单桩式基础稳性好，比导管架基础便宜，优点跟三桩式基础（Tripile）类似，跟三桩式基础的区别是三角架基础受浪的作用力比三桩式基础大，但是承重比三桩式基础要多，比如三桩式基础一般可以承重400吨，而三角架基础承重可以达到700吨。

不过浅水地区不能用这种形式，因为底座在水下，防止船只误撞。

三角架基础适用水深15~30m。

优点：结构相对简单，结构刚度较单桩大，整体稳定性好，抗冲刷，基础费用较小。

缺点：受地质条件影响大，不适用浅海，需要水下焊接等作业，安装费用较高。

代表工程：德国Borkum West 2海上风电场。

3桩基承台基础（Pile cap）

中国自主研发的下部结构及基础型式，适用于软土地基，由若干根桩和位于海水面以上（或冲刷面以上）的承台所组成的桩基础结构。

桩基承台基础适用水深小于30m。

优点：基础结构刚度大，结构稳定，承载力强，抗撞性好，施工工艺成熟。

缺点：适用水深较浅，工程量大，施工周期较长。

代表工程：中国东海大桥海上风电场

4三桩式基础（Tripile）

采用三桩式基础模式比单桩式基础稳性强度和材料节省都会好很多。

我国如东风电场就是采用这种模式（虽然腿多点，但是结构形式类似）。

三桩式基础适用水深30-50米。

优点：基础刚度较大，靠泊等布置方便，上部结构受浪、流影响较小。

缺点：重量较大，对地基承载力及施工精度要求较高。

代表工程：德国BARD Offshore 1海上风电场

5导管架基础（Jacket）

取经海洋石油平台，当水深达到30米以上时，采用单桩式基础费用会增加很快，用导管架基础模式可以替代单桩式基础。

下部结构采用桁架式结构，以4桩导管架基础为例，结构采用钢管相互连接形成的空间四边形棱柱结构，基础结构的四根主导管端部下设套筒，套筒与桩基础相连接。

导管架套筒与桩基部分的连接通过灌浆连接方式来实现。

一般在石油平台中采用4-8条腿，考虑经济性，风电一般采用3-4条腿。

导管架基础适用水深5~50米。

优点：刚度大，稳定性好，承载力强，建造方便。

缺点：结构受力较复杂，易产生疲劳，建造与维护成本较高。

代表工程：德国Alpha Ventus海上风电场

6重力式基础（Gravity-Based）

第一座近岸海上风电就是重力式底座，参考了海洋平台的模式，采用混凝土和压载沉底来保证稳性。

靠基础自重抵抗风电机组荷载和各种环境荷载作用，一般采用预制钢筋混凝土沉箱结构，内部填充砂、碎石、矿渣或混凝土压舱材料。

不过如果考虑拆除作业的话，重力式会比较麻烦。

重力式基础适用水深小于10m。

优点：结构简单，造价低，抗风浪能力强，稳定性、可靠性好。

缺点：海底地质条件要求高，最好为浅覆盖层的硬质海床，地基需预先处理，运输、安装不便，对冲刷较敏感。

代表工程：英国blyth海上风电场

7吸力式基础（Suction bucket）

由筒体和外伸段两部分组成，筒体为底部开口顶部密封的筒型，外伸段为直径沿着曲线变化的渐变单通。

陆地预制，抽水下沉，注水移除。

吸力式基础适用水深小于25米。

优点：用钢量省，造价低，运输方便，施工速度快，可重复利用。

缺点：负压引起的过大土体渗流会在筒内形成土塞，下沉时易倾斜，需频繁矫正，对施工精度要求较高。

代表工程：中国三峡响水海上风电场

当水深超过50m时，固定式基础不再经济，需要考虑选用合适的浮式基础。

目前，海上风机浮式基础参考了海洋平台的设计经验主要有三种类型：单柱式基础（Spar）、半潜式基础（Semisubmersible）和张力腿式基础（TLP）。

1单柱式基础（Spar）

单柱式基础（Spar）稳性更好，与海洋平台的区别是，风电平台受风的影响很大，所以形式进行改进。

单柱式基础主体是一个大型的圆柱，其作用是支撑塔架和机舱以及系泊缆绳的重量，通过底部压载使得浮式基础的浮心高于重心，进而提高浮式平台的平稳性。

浮式基础底部包括定压载舱和临时浮舱两部分，其中定压载舱提供浮式基础较大一部分压载，产生较大的复原力臂以及惯性阻力，达到减小平台横摇和纵摇运动的目的，保证平台的稳定。

临时浮舱的作用是在浮体结构运达至指定海域后，将压载水注入临时浮舱，从而使浮式基础自行扶正竖立。

通常情况下，单柱式基础的吃水深度要大于等于轮毂和海平面之间的平均距离，才能达到稳定性要求。单柱式基础的锚泊定位系统通常采用张紧式或悬链式钢缆或合成纤维等。

适用水深100m及以上。

优点：适用较深海域，稳性好，可移动和重复利用。可以很好的提高漂浮式风机的整体性能，保证平台的稳定性。

缺点：垂向运动小，水线面小，基础纵/横摇运动受波浪影响明显。其整体长度过大，给制造和安装提出了巨大挑战。

2半潜式基础（Semisubmersible）

半潜式基础通常由有斜撑管连接的多个大型浮筒构件组成。

风力发电机可以安装在任意一个浮筒上，利用浮筒非常大的水线面面积来保证整机的稳定性。

浮筒内部的压舱来调节风机整体的重心和稳定性。

适用水深50m及以上。

优点：适用水深范围广，吃水小，水线面较大，稳性好，可移动和重复利用。安装方便，可以适应较深水域并且运行可靠。可以在近岸调试好，然后拖到风电场利用锚链（悬链线）给风机定位。

缺点：垂向运动较大，基础水平运动受波浪影响较大。

3张力腿式基础（TLP）

张力腿式基础是一种垂直系泊的顺应式漂浮式基础结构。

通常张力腿式基础由悬浮的矩形水平浮筒和圆柱体结构组成。

张力腿式基础通过刚度较大的张力腿直接连接至海底锚固结构。

由于欲张紧的锚泊系统作用，使得张力腿式基础的运动近乎刚性运动，保证了非常好的稳定性。

从理论上说，张力腿式基础所承受锚泊系统的预张紧力越大，越能够实现平台的平稳。

但在设计张力腿式基础时，要综合考虑各种规范和和工程需求，来实现对预张紧力的确定。

同时，由于高频振动对漂浮式风机的性能影响比较大，在基础设计时，要避开环境中与浮式基础重合的固有周期。

适用水深50m及以上。

优点：水线面较大，运动性能好，可移动和重复利用。

缺点：稳性一般，上部结构易与系泊系统共振，系泊系统复杂，安装费用高。随着水深的增加，张力腿式基础的建造成本也会急剧增加，因此对于深海区域，不太适合采用该形式的浮式基础。

欧洲80%的海上风资源分布于固定式基础几乎无法应用的60m以上水深海域，其可开发容量达4000GW，居世界首位。

因此，开发适用于更深海域的漂浮式海上风电技术是未来的必然趋势。

除了更深的海域外，在部分海床地质条件不利于固定式的海域，漂浮式海上风电技术也可大显身手。

随着近些年陆上风电和固定式海上风电的成本不断下降，漂浮式海上风电的成本也将会大幅下降，主要得德着项目利用用于大水深的漂浮式海上风电技术，益于更远更深海域拥有更好的风资源条件，以及应用更大容量的风机。

同时，随着固定式海上风电行业的发展，漂浮式海上风电的设备、施工、运维、拆除等各项成本及风险也将随之降低。

据保守估计值2050年其成本将下降38%，根据IEA预测则可降低50%。

毫无疑问，漂浮式海上风电将在未来海上风电发展中扮演重要角色。

除了英国，法国，葡萄牙等欧洲国家，日本和美国等国也在关注并研究漂浮式技术，它的开发建设成本也会随着整个风电行业成本的下降而下降，更为重要的是，它会将风机矗立在风资源更为丰富的深海地区，让人们看到了行业未来发展的广阔前景！