漂浮式海上風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

王富強(qiáng)，郝軍剛，李 帥，任亞君，謝越韜，張步恩

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 行業(yè)背景

大力發(fā)展海上風(fēng)電是我國(guó)落實(shí)“雙碳”目標(biāo)、提升清潔能源比例的重要舉措?！笆奈濉笔俏覈?guó)海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵機(jī)遇期，也面臨從補(bǔ)貼到無(wú)補(bǔ)貼、從近海到遠(yuǎn)海、從樣機(jī)走向商業(yè)應(yīng)用大跨越發(fā)展等多方面挑戰(zhàn)[1]。近海海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)資源有限、生態(tài)約束強(qiáng)、其他經(jīng)濟(jì)活動(dòng)需求大、場(chǎng)址較為分散，且當(dāng)水深超過(guò)60 m后，近海固定式風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性變差[2-3]。相對(duì)于近海，深遠(yuǎn)海域具有風(fēng)資源條件更優(yōu)、開(kāi)發(fā)潛力巨大、限制性因素少等優(yōu)勢(shì)。我國(guó)深遠(yuǎn)海域可開(kāi)發(fā)面積約67萬(wàn)km2，風(fēng)電資源技術(shù)開(kāi)發(fā)量約20億kW，接近淺海資源量的4倍，因此海上風(fēng)電布局從近海向深遠(yuǎn)海轉(zhuǎn)變是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，發(fā)展深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電也將是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，保證東南沿海負(fù)荷中心能源安全的重要支撐和有效途徑。

漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)是深遠(yuǎn)海風(fēng)資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，漂浮式基礎(chǔ)支撐上部風(fēng)機(jī)，通過(guò)系泊系統(tǒng)與海床相連，受水深影響小，擺脫復(fù)雜海床地形及地質(zhì)條件約束，適用范圍更廣，可獲得更多風(fēng)能資源。作為未來(lái)深遠(yuǎn)海風(fēng)能開(kāi)發(fā)的主要形式之一，漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展?jié)摿薮螅彩悄壳笆澜绶秶鷥?nèi)的研究熱點(diǎn)。自2009年首臺(tái)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組安裝以來(lái)，全球漂浮式海上風(fēng)電正得到快速發(fā)展。這些項(xiàng)目展示出漂浮式海上風(fēng)電在惡劣條件下運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性，在捕獲更高風(fēng)能的同時(shí)能夠積累大量實(shí)際數(shù)據(jù)用于更新和完善相關(guān)設(shè)計(jì)，為后續(xù)大規(guī)模、商業(yè)化開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)預(yù)測(cè)[4]，2030年全球漂浮式海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)將達(dá)到16.5 GW，從2026年開(kāi)始，漂浮式海上風(fēng)電將進(jìn)入新增裝機(jī)達(dá)到GW級(jí)商業(yè)化階段。

國(guó)外漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展經(jīng)歷以下階段：示范項(xiàng)目、試點(diǎn)項(xiàng)目、預(yù)商業(yè)項(xiàng)目和商業(yè)規(guī)模項(xiàng)目[5]。示范和試點(diǎn)項(xiàng)目是技術(shù)開(kāi)發(fā)和降低風(fēng)險(xiǎn)的重要過(guò)程，目前安裝的大多數(shù)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目是單機(jī)或多機(jī)示范項(xiàng)目，如挪威Hywind demo、葡萄牙WindFloat、法國(guó)Floatgen、丹麥Tetraspar、西班牙SATH、日本GOTO及Fukushima Forward等。Hywind Scotland及WindFloat Atlantic、法國(guó)的EolMed、Groix&Belle-Ile、Provence Grand Large等為小型陣列的試點(diǎn)項(xiàng)目，對(duì)于研究漂浮式風(fēng)場(chǎng)尾流、布置、共享系泊等技術(shù)問(wèn)題提供了很好的條件。目前唯一在建的預(yù)商業(yè)項(xiàng)目是88 MW的Hywind Tampen，該項(xiàng)目通過(guò)整合設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝、測(cè)試、維修等全生態(tài)供應(yīng)鏈，以求最大程度上降低成本。大于200 MW的項(xiàng)目稱為商業(yè)項(xiàng)目，通過(guò)大規(guī)模部署漂浮式海上風(fēng)機(jī)以提高項(xiàng)目開(kāi)發(fā)效率，通過(guò)全行業(yè)合作應(yīng)對(duì)技術(shù)及后期運(yùn)維挑戰(zhàn)，進(jìn)一步降低投資成本，目前還沒(méi)有正在開(kāi)展的商業(yè)項(xiàng)目。

我國(guó)目前建成投產(chǎn)的漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目?jī)H有三峽引領(lǐng)號(hào)，中國(guó)海裝扶搖號(hào)預(yù)計(jì)2022年投產(chǎn)發(fā)電，國(guó)家能源集團(tuán)福建南日島項(xiàng)目及中海油文昌漂浮式海上風(fēng)電示范項(xiàng)目仍在有序推進(jìn)。我國(guó)漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展仍處于樣機(jī)示范階段，且示范樣機(jī)安裝水深較淺、型式單一、產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈發(fā)展尚不成熟，產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)未能形成。當(dāng)前漂浮式海上風(fēng)電仍呈現(xiàn)技術(shù)難度高、建設(shè)成本高、開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)少的特點(diǎn)，三峽引領(lǐng)號(hào)和海裝扶搖號(hào)造價(jià)均超過(guò)3億元，距離商業(yè)化大規(guī)模開(kāi)發(fā)仍有較大差距。

《十四五可再生能源發(fā)展規(guī)劃》明確提出，推進(jìn)漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)機(jī)組等技術(shù)創(chuàng)新與示范應(yīng)用，力爭(zhēng)“十四五”期間開(kāi)工建設(shè)我國(guó)首個(gè)商業(yè)化漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目，為我國(guó)漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展提出了明確的目標(biāo)和方向。海南萬(wàn)寧100萬(wàn)kW漂浮式海上風(fēng)電將是世界上第一個(gè)商業(yè)化項(xiàng)目，將實(shí)現(xiàn)我國(guó)從樣機(jī)示范階段直接到商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段的跨越式發(fā)展，其跨度和難度較大，存在技術(shù)難點(diǎn)有待突破、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較薄弱，供應(yīng)鏈不足、成本較高、有待進(jìn)一步降本增效等問(wèn)題。目前我國(guó)浮式基礎(chǔ)主要是參考國(guó)外的半潛式型式，用鋼量在700～1 000 t/MW，其基礎(chǔ)型式需要進(jìn)一步創(chuàng)新優(yōu)化，同時(shí)面臨多學(xué)科交叉融合、一體化耦合集成分析等難點(diǎn)。

為了推進(jìn)解決我國(guó)深遠(yuǎn)海漂浮式海上風(fēng)電商業(yè)化開(kāi)發(fā)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，國(guó)家科技部“可再生能源技術(shù)”2022年度重點(diǎn)專項(xiàng)規(guī)劃以下課題[6]：研制自主可控的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)仿真設(shè)計(jì)軟件及10 MW級(jí)深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)與裝備等，考核目標(biāo)之一為浮體用鋼≤500 t/MW。

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)漂浮式海上風(fēng)電規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展，需要針對(duì)存在的關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新和項(xiàng)目實(shí)踐引領(lǐng)，通過(guò)優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新基礎(chǔ)形式、多學(xué)科融合交叉、實(shí)現(xiàn)一體化仿真技術(shù)等研究，保證項(xiàng)目安全可靠、進(jìn)一步降本增效。針對(duì)我國(guó)對(duì)漂浮式海上風(fēng)電的大量需求，形成以問(wèn)題導(dǎo)向、創(chuàng)新導(dǎo)向?yàn)楹诵牡募夹g(shù)驅(qū)動(dòng)力，快速實(shí)現(xiàn)從試驗(yàn)樣機(jī)階段到大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)的跨越式發(fā)展。

2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討

為實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海規(guī)模化、商業(yè)化發(fā)展，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要包括漂浮式風(fēng)電機(jī)組、浮式基礎(chǔ)、系泊系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)海纜、一體化仿真、水池試驗(yàn)、施工技術(shù)等。

2.1 風(fēng)電機(jī)組

漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組安裝在深遠(yuǎn)海，運(yùn)行條件及海況復(fù)雜。為捕獲更多風(fēng)能資源，需增大葉片長(zhǎng)度、優(yōu)化翼型設(shè)計(jì)及控制策略，需要解決下述問(wèn)題：

(1)葉片大型化的氣彈性問(wèn)題。目前15 MW風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度已超過(guò)100 m，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生彈性變形，振動(dòng)過(guò)程中改變實(shí)際入流速度，影響攻角及風(fēng)機(jī)效率，所受荷載也會(huì)發(fā)生較大改變，浮式基礎(chǔ)平臺(tái)受力改變又反之影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

(2)控制系統(tǒng)優(yōu)化。浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)會(huì)影響風(fēng)機(jī)荷載及效率，且深遠(yuǎn)海復(fù)雜的風(fēng)、海、流等環(huán)境因素互相耦合，漂浮式風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)相比固定式風(fēng)機(jī)復(fù)雜度更高、難度更大。隨著風(fēng)輪尺寸的增大，風(fēng)輪平面存在較大的速度梯度，即上、下葉片氣動(dòng)力不同，控制策略需要進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)；同時(shí)要考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)氣動(dòng)特性的影響。

(3)大型風(fēng)機(jī)的潤(rùn)滑及防腐。深遠(yuǎn)海風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于高鹽霧、高濕度環(huán)境，運(yùn)行環(huán)境嚴(yán)苛，機(jī)組故障率相對(duì)較高、可達(dá)性差、換油窗口期短，對(duì)潤(rùn)滑、換油、降溫及防腐等提出更高要求。隨著深遠(yuǎn)海漂浮式大容量風(fēng)機(jī)時(shí)代拉開(kāi)帷幕，風(fēng)電機(jī)組外形及內(nèi)部設(shè)計(jì)、后期運(yùn)維也將面臨新的挑戰(zhàn)[7]。

2.2 浮式基礎(chǔ)與系泊系統(tǒng)

目前常見(jiàn)的浮式基礎(chǔ)[8]主要有立柱式、半潛式、駁船式和張力腿式。半潛式基礎(chǔ)具有較好穩(wěn)定性且波浪載荷較小，可在岸上建造，與風(fēng)機(jī)組裝后再拖航至指定機(jī)位點(diǎn)，適用水深范圍大、運(yùn)行可靠，是深遠(yuǎn)海風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)最有前景的基礎(chǔ)型式，在較多示范項(xiàng)目中得到應(yīng)用，積累了較為豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)海域大陸架總體較為平緩，隨著離岸距離增加，水深增加幅度較緩，且面臨臺(tái)風(fēng)等復(fù)雜海況，比較適合半潛式基礎(chǔ)。我國(guó)目前的示范樣機(jī)均采用三浮筒半潛式基礎(chǔ)，風(fēng)機(jī)塔筒放置在其中一個(gè)立柱上。浮式基礎(chǔ)的用鋼量較大，三峽引領(lǐng)號(hào)用鋼量5 500 t左右，單位用鋼量1 000 t/MW；海裝扶搖號(hào)用鋼量3 900 t，單位用鋼量為630 t/MW，距離國(guó)家科技部重點(diǎn)專項(xiàng)中提出的500 t/MW考核指標(biāo)還有差距。為了降低用鋼量，需要進(jìn)一步探索優(yōu)化浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，研究主動(dòng)加載技術(shù)抑制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使用混凝土、玻璃鋼、鋼材和混凝土等復(fù)合材料。

系泊系統(tǒng)是將浮式基礎(chǔ)與海底相連的唯一結(jié)構(gòu)，是漂浮式海上風(fēng)電核心部件之一，投資占比相對(duì)較大，其設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)于工程安全及投資指標(biāo)至關(guān)重要。漂浮式海上風(fēng)電系統(tǒng)在海上承受著復(fù)雜的風(fēng)、浪、流等外部環(huán)境載荷，可能從各個(gè)方向作用到風(fēng)機(jī)機(jī)艙、塔架、浮式基礎(chǔ)上，系泊系統(tǒng)纜繩或錨鏈需要為浮式平臺(tái)在各個(gè)方向上提供回復(fù)力，限制平臺(tái)在波浪、風(fēng)等荷載下的運(yùn)動(dòng)幅度，保持風(fēng)機(jī)電力的穩(wěn)定輸出。系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化需要考慮與浮式基礎(chǔ)的相互作用、系統(tǒng)阻尼、淺水效應(yīng)等要點(diǎn)，并研究采用非對(duì)稱性系泊形式、降低冗余度，優(yōu)選系泊材料，探索錨固點(diǎn)優(yōu)化共享等降本策略。

2.3 動(dòng)態(tài)海纜

浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、位置偏移以及海洋生物等因素都會(huì)導(dǎo)致電纜線型變化，動(dòng)態(tài)海纜作為浮式風(fēng)機(jī)與靜態(tài)海底電纜的連接設(shè)備，是輸電系統(tǒng)的重要模塊。深遠(yuǎn)海漂浮式海上風(fēng)電動(dòng)態(tài)海纜在運(yùn)行過(guò)程中面臨大截面、高電壓及負(fù)荷波動(dòng)、絕緣老化、復(fù)雜海洋環(huán)境導(dǎo)致的載荷組合等問(wèn)題[9]，以及復(fù)雜力、電場(chǎng)、熱等多場(chǎng)耦合的動(dòng)態(tài)工況。動(dòng)態(tài)海纜系統(tǒng)涉及復(fù)雜基礎(chǔ)理論與實(shí)際問(wèn)題，工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有限，在全壽命周期中存在諸多難題有待解決，需要進(jìn)一步開(kāi)展線型、材料、尺寸、浮力塊、防彎器設(shè)計(jì)，開(kāi)展動(dòng)態(tài)極值、疲勞壽命、海底穩(wěn)定性、一體化仿真分析，并提前布局安裝測(cè)試、運(yùn)維、拆除及循環(huán)利用等課題探索[10]。

2.4 一體化仿真

漂浮式海上風(fēng)電系統(tǒng)是高度集成、相互耦合的系統(tǒng)，涉及氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、伺服控制、水動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，上部風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與下部浮式基礎(chǔ)部分密接相關(guān)。目前風(fēng)機(jī)、浮式基礎(chǔ)及系錨系統(tǒng)通常由兩個(gè)或更多團(tuán)隊(duì)完成，但各團(tuán)隊(duì)之間存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)保護(hù)、商業(yè)壁壘等諸多因素，使得各模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化及數(shù)據(jù)迭代變得困難，從而影響工期及造價(jià)投資。實(shí)現(xiàn)完全的一體化設(shè)計(jì)及仿真存在一定的實(shí)際困難。

2.5 水池模型試驗(yàn)

水池模型試驗(yàn)是驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)成果的重要環(huán)節(jié)，也是浮式風(fēng)機(jī)實(shí)際下水投產(chǎn)前的必要步驟。漂浮式海上風(fēng)電水池試驗(yàn)需要滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似等相似準(zhǔn)則[11]，但相似準(zhǔn)則難以同時(shí)滿足。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的科學(xué)模擬，需要綜合考量相似準(zhǔn)則，目前普遍做法是針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象進(jìn)行精細(xì)化相似模擬，在該系統(tǒng)中滿足所有相似準(zhǔn)則，對(duì)于其余子系統(tǒng)則放寬其他條件限制。受制于試驗(yàn)水池等硬件條件，小縮尺比帶來(lái)的尺度效應(yīng)仍是今后研究的重點(diǎn)之一。為了進(jìn)一步提高模型試驗(yàn)效率、降低造價(jià)并提高試驗(yàn)精度，實(shí)時(shí)混合模型試驗(yàn)[12]也將成為一種較為理想的處理方式。

2.6 運(yùn)輸與施工

漂浮式海上風(fēng)電施工占總投資較大比例，應(yīng)統(tǒng)籌特定項(xiàng)目施工資源以達(dá)到總體施工成本最優(yōu)。浮式基礎(chǔ)以鋼質(zhì)材料為主，能夠在港口碼頭完成基礎(chǔ)平臺(tái)、塔筒和風(fēng)機(jī)的組裝工作，不用通過(guò)大型浮吊等設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜的海上安裝作業(yè)，特別是當(dāng)機(jī)位點(diǎn)距離基礎(chǔ)建造碼頭較近時(shí)，可以考慮建造碼頭吊裝風(fēng)機(jī)后整體拖航。隨著漂浮式風(fēng)電場(chǎng)址逐漸向深遠(yuǎn)海及機(jī)組向大型化發(fā)展，港口側(cè)的安裝、拖曳及維修存在較大經(jīng)濟(jì)及技術(shù)挑戰(zhàn)。在大型漂浮式風(fēng)電場(chǎng)中，盡可能在海上現(xiàn)場(chǎng)操作相關(guān)流程是較經(jīng)濟(jì)的做法，特別大吃水深度的立柱式，現(xiàn)場(chǎng)施工是必不可少的。

大型施工船只的起重能力、起重高度及范圍對(duì)漂浮式海上風(fēng)電安裝和運(yùn)維至關(guān)重要。起重高度在一定程度上制約機(jī)組大型化的發(fā)展。目前施工船隊(duì)在單次升降機(jī)中安裝15 MW及以上風(fēng)電機(jī)組的難度較大，需要進(jìn)一步開(kāi)展重型起重作業(yè)船舶或替代技術(shù)的研究，例如攀爬起重機(jī)技術(shù)等。爬升式起重機(jī)使用風(fēng)機(jī)塔架作為支撐點(diǎn)，風(fēng)機(jī)部件的提升高度大于傳統(tǒng)起重機(jī)的提升高度，經(jīng)濟(jì)性能更優(yōu)。因此對(duì)塔架支撐點(diǎn)進(jìn)行局部改造以提高極限承載能力是重要的技術(shù)發(fā)展方向。

數(shù)量有限、成本較高的浮動(dòng)重型起重船是有效地開(kāi)展海上作業(yè)的另一障礙。海上現(xiàn)場(chǎng)安裝涉及到動(dòng)態(tài)船只與動(dòng)態(tài)浮體之間的相互作業(yè)，加上浮動(dòng)升降機(jī)的復(fù)雜性，將給漂浮式海上風(fēng)力機(jī)的相關(guān)安裝和運(yùn)維帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)先進(jìn)的安裝及運(yùn)維技術(shù)，如浮式基礎(chǔ)-安裝船靠泊耦合模型、六自由度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)的輔助部件等。

3 發(fā)展趨勢(shì)及展望

通過(guò)海上風(fēng)電發(fā)展過(guò)程、現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析，商業(yè)化、規(guī)模化漂浮式海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展將有以下幾大趨勢(shì)。

3.1 風(fēng)機(jī)大型化

為降低度電成本，節(jié)約基礎(chǔ)、系泊、電纜等投資成本，節(jié)約后期運(yùn)維費(fèi)用，降低輸電成本和調(diào)度成本，提高電力可靠性，風(fēng)機(jī)大型化是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。

加大機(jī)組容量是降低度電成本的關(guān)鍵因素，大容量機(jī)組對(duì)應(yīng)大葉輪直徑和更高的塔高，可以有效提高容量系數(shù)從而提高風(fēng)場(chǎng)的年發(fā)電量。機(jī)組大型化后，同樣容量風(fēng)場(chǎng)會(huì)減少基礎(chǔ)、系泊、海纜等用量，從而降低造價(jià)。當(dāng)單機(jī)機(jī)組容量提高后，風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)變少，從而可以節(jié)約運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

3.2 高精度、全耦合仿真與優(yōu)化

漂浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的集成、耦合仿真是重要的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。為提高漂浮式海上風(fēng)電商業(yè)項(xiàng)目的安全性及經(jīng)濟(jì)性，高精度、全耦合的漂浮式海上風(fēng)電一體化仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化是需要努力實(shí)現(xiàn)和發(fā)展的方向。由于各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位保護(hù)其核心技術(shù)及商業(yè)機(jī)密的需要，數(shù)據(jù)的收集和交換存在一定障礙，目前浮式風(fēng)電機(jī)組并未實(shí)現(xiàn)完全的一體化仿真設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)解耦分析方法在設(shè)計(jì)初期階段能夠基本滿足精度需求[13]，但計(jì)算結(jié)果相對(duì)于全耦合分析精度較低，且對(duì)于非線性響應(yīng)的預(yù)報(bào)仍存在一定不確定性，導(dǎo)致工程投資增加。

隨著漂浮式海上風(fēng)電向著大型化方向發(fā)展，同時(shí)復(fù)雜的風(fēng)浪流工作環(huán)境帶來(lái)更多非線性因素，更需要：①進(jìn)一步發(fā)展耦合動(dòng)力學(xué)仿真、非線性動(dòng)力學(xué)仿真以及動(dòng)力學(xué)控制研究；②開(kāi)發(fā)計(jì)算精度優(yōu)、效率高、穩(wěn)定性好的仿真方法和計(jì)算模型，搭建適合工程實(shí)際使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)；③提高項(xiàng)目效率，優(yōu)化、簡(jiǎn)化相關(guān)設(shè)計(jì)流程并針對(duì)漂浮式海上風(fēng)電研究制定浮式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，制定評(píng)估準(zhǔn)則，提升漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化空間。

3.3 基礎(chǔ)新形式、新材料、新工藝應(yīng)用

浮式基礎(chǔ)的建設(shè)成本是整個(gè)漂浮式風(fēng)電機(jī)組成本的重要組成部分，其中材料費(fèi)用是影響成本的主要因素。目前半潛式浮式平臺(tái)大多采用鋼結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)漂浮式海上風(fēng)電樣機(jī)平臺(tái)平均成本約為6 000萬(wàn)元，遠(yuǎn)高于歐洲同類型平臺(tái)，存在較大成本下降空間。

在保證安全性及穩(wěn)定性的情況下，通過(guò)采用主動(dòng)壓載技術(shù)、雙機(jī)頭、無(wú)塔筒等技術(shù)優(yōu)化漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式以及采用垂直軸風(fēng)機(jī)等方法降低用鋼量，是浮式基礎(chǔ)降本的主要方向之一。例如，由X1 Wind公司設(shè)計(jì)的PivotBuoy浮式風(fēng)機(jī)，首創(chuàng)下風(fēng)式浮式風(fēng)機(jī)全自動(dòng)偏航；法國(guó)公司Eolink研發(fā)的浮式風(fēng)電設(shè)計(jì)Eolink，能夠有效減輕重量并大幅降低成本，同時(shí)平衡應(yīng)力分布，以減少疲勞等。

此外，使用價(jià)格較為低廉的混凝土等材料，同樣有助于浮式平臺(tái)成本下降。Hywind Tampen、Floatgen等浮式風(fēng)電項(xiàng)目均使用混凝土作為主體材料，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展相關(guān)研究，證明了混凝土浮體的可行性和經(jīng)濟(jì)性[14-15]。

3.4 綜合利用

綜合利用是降低漂浮式海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)成本、提升項(xiàng)目整體綜合效益的又一途徑。通過(guò)推動(dòng)海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)、海上油氣、海水淡化、制氫、儲(chǔ)能等多種資源的綜合利用和融合發(fā)展，提升資源利用效率；考慮風(fēng)、光、浪、潮流等環(huán)境因素，推動(dòng)海上“能源島”重大示范工程，研發(fā)深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)、光、潮綜合利用，提高浮式平臺(tái)的利用效率，有助于進(jìn)一步優(yōu)化浮式發(fā)電場(chǎng)的布置，提高發(fā)電場(chǎng)的輸出功率，降低發(fā)電場(chǎng)的成本，提高投資回報(bào)率。

3.5 建設(shè)和運(yùn)維的智能化、數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用

漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組處于深遠(yuǎn)海域[7]，海洋環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)維窗口期時(shí)間短、難度大、成本高，機(jī)組故障提前預(yù)判及預(yù)防性維護(hù)意義重大。實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、故障預(yù)警系統(tǒng)、智能診斷分析技術(shù)及遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)成為重要需求，基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、無(wú)人機(jī)、智慧機(jī)器人等數(shù)字化技術(shù)，研發(fā)推廣在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)檢測(cè)、智能運(yùn)維等數(shù)字化、智能化技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)安全系數(shù)高、效率優(yōu)的檢修裝備也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

基于耦合數(shù)字孿生技術(shù)，建立高度仿真的深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，充分利用監(jiān)測(cè)傳感器等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其他相關(guān)資料，實(shí)時(shí)更新虛擬實(shí)體與物理實(shí)體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，反映漂浮式風(fēng)電機(jī)組全生命周期過(guò)程，以達(dá)到模擬、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)等目的，也是大幅降低運(yùn)維成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)梳理了漂浮式海上風(fēng)電系統(tǒng)涉及的核心技術(shù)，包括風(fēng)電機(jī)組、浮式基礎(chǔ)、系泊系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)海纜、一體化仿真、水池試驗(yàn)、運(yùn)輸與施工等；并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，主要包括風(fēng)機(jī)大型化、一體化耦合仿真研究、新形式新材料的使用、綜合開(kāi)發(fā)利用以及智能化運(yùn)維等。

以深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的巨大需求、科技突破和解決瓶頸問(wèn)題為導(dǎo)向，沿著安全可靠和降本增效的關(guān)鍵路徑，以技術(shù)創(chuàng)新和項(xiàng)目實(shí)踐為引領(lǐng)，設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝及運(yùn)維方通力合作，定當(dāng)成功推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)我國(guó)漂浮式海上風(fēng)電的規(guī)模化、商業(yè)化發(fā)展。