從這個表上大家可以看出,左上圖是歐洲的海上風能的分布情況,右上圖是美國情況。大家可以看到在東海岸,以及西海岸儲量是非常豐富的近幾年美國在浮動式風電方面發展政府扶持力度是非常大的。鑒衡參加了OC4,IEA主持的一系列項目,其中就包括浮動式的機組的研究,他們希望在2017實現度電成本達到商業利用價值。下面這兩個是亞太地區和海南島周圍深海風能的情況。
下面再來看一下浮動式風機與傳統的我們說的海上油氣平臺的區別。第一結構總重量不同,相比較于采油平臺,浮動式風機,結構總重量比較小,在相應的載荷情況下,頂部加速度是比較大的,這是一個比較大的設計挑戰。因為在水下的部分比較小,所以受流動影響比較小,我們為了獲得比較好的風資源,往往導致比較高的高度,導致系統高度比較高,這樣就帶來一個問題,特別是風機在正常額定運行發電的時候,水力推力比較大,這樣就產生一個比較大的力矩。還有一個最大的問題,跟傳統的海上平臺的設計不一樣,在海上平臺設計過程中,更多的利用頻域的設計方法,可以進行現行分析,浪和流的耦合,并不是那么的明顯。但是在浮動式風機這樣一個以捕捉風能,轉換成電能的裝置,這樣的話,它的風機整個集成和稀薄,線性耦合是非常明顯的,在設計過程中是不能回避的問題。
浮動式風機目前的現狀,根據咨詢結構的統計,目前全球有29個浮動式風機項目,主要是歐洲16個,美國4個,日本9個,有兩個實尺度浮動式風機樣機。在2011年的年底,在葡萄牙那邊用了windfloat的技術,基于海上平臺的浮動式基礎,主要有三方面,spar,tlp,semi,spar是主要的,tlp是小尺度的。這個是目前典型的浮動式風級項目的詳細情況,包括里面采用的基礎的設計方案,風機制造商和項目的狀態。
通過這些可以給我們傳遞一個信息,海上風電的時代來了,浮動式海上風電正在醞釀,并且在未來幾年,很可能在2015年,到2020年期間會出現小批量的浮動式的項目。
下面來看一下浮動式基礎設計方面的設計方法,設計流程。根據我們傳統的經驗,我們可以把固定式海上風機跟海上的浮動式平臺1加1,但是1加1帶來的問題,有很多需要細化解決的問題,不是簡單的疊加。我們需要把浮動式風機分成三個部分,一個是機頭,浮動基礎,系泊系統,浮動風機,在整個設計過程當中,可以借助目前的規范進行,在風機這塊有成熟的設計規范。根據我們常用的IEA的規范,他們陸續增加了針對海上浮動式的海上計算工況。在機組和系泊可以沿用之前海上平臺的設計經用,ABS和DNV針對浮動式風機進行了研究,對浮動式風機進行了細化。
右面是一系列的在設計過程當中需要考慮的問題,包括設計工況,怎么對風浪流的設計,包括控制系統,安全系數,優化等等。針對浮動式風機的設計力量跟采油平臺是不一樣的,采油平臺把人員的安全和對環境的影響是放在第一位的,因為海埂平臺往往是海油裝置,上面會有一些人員常駐,另外出現破損的話,對環境污染是非常嚴重的,對成本會有一些要求,但是不會像我們開發風機這樣,對成本要求這么高,在安全系數方面會有不同。我們浮動式風機在試運行和調試過程需要有人執手,其他運行過程當中不需要人執手。這樣對我們浮動式風機的設計優化過程當中成本提供了一些可能性。
這是目前針對浮動式基礎的設計標準和規范,目前有的是GL在2012年年底的時候,出的一個目前海上風機設計規范的版本當中增加了浮動式風機的載荷計算工況的要求,ABS和DNV兩家公司,在今年年初和年中的時候,分別出了針對浮動式基礎和相應系泊過程中的規范,為浮動式風機后續項目的開展,提供了一些設計的標準,以及認證參考的規范。目前我們最權威的IEC61400-3-2是一個最規范的成本,也許明年年初的時候會出一個初稿。浮動式機組設計流程,基于目前通用的循環設計方法,首先會根據風機載荷的工況,給這個機組做一個輸入,完成初步設計,然后再進行整機運行的分析軟件進行載荷計算,通過反復迭代之后進行分析。分了三個工況,極限工況,疲勞工況,意外工況。