【海洋能源工程咨询】浮式风机是如何工作的？

常见的三类浮式风机平台：单立柱式、半潜式、张力腿式

北加利福尼亚州拥有美国最丰富的海上风力资源，清洁能源发展潜力巨大。但也面临一个问题：该地区大陆架迅速下降，使得在海底直接建造传统的风机要么成本高昂，要么难度极大。

当水深超过200英尺（大约相当于18层楼的高度）时，单桩基础结构就不适用了。

为了解决这一问题，市场出现了浮式风机这一解决方案，并在世界各地进行测试。

加州缺少降雨导致水力发电供应紧张。为此，加州正在推进一项计划，开发美国首个浮式海上风电场。2022年12月7日，联邦政府将距离加州海岸约20英里的五个租赁区域拍卖给了计划开发浮动风电场的公司。拍卖价虽然低于大西洋沿岸海域最近的拍卖价，但拍卖总价仍达到7.57亿美元之巨。大西洋沿岸海域拍卖的都是固定式风机。

那么，浮式风电场是如何工作的呢？

浮式风机主要有三种方式

浮式风机的工作原理与其他风机一样，风力驱动叶片，使转子转动，从而驱动发电机发电。但是，浮式风机不是将其塔筒直接嵌入地面或海底，而是安装在平台上，平台上配备有锁链或缆绳等系泊缆，从而与海床的锚连接固定。

这些系泊缆将风机妥善固定，抵御大风，并将其与电缆相连，从而将电力输送上岸。

浮式风机的稳性主要依靠平台本身。平台设计的关键在于使风机在大风暴中不至于产生过大的倾斜。

平台主要有三种类型：

单立柱式平台是一种从风机塔筒向下延伸的长长的中空型圆柱体。它在深水中垂直漂浮，底部用压舱物加重以降低重心。使用松弛的绳索将其固定在适当位置，从而使其能够随水移动，避免产生损坏。多年来，油气行业一直使用单立柱漂浮结构进行海上作业。

半潜式平台具有从塔筒展开的大型漂浮船体结构，结构加以固定防止漂移。设计师一直试图在单个船体结构上安装多台风机。

张力腿式平台较小，拉紧的绳索直接延伸至下方海床。它们重量较轻，主要依赖系泊缆和锚来保持稳定，因而更容易受到地震或海啸的影响。

每种平台都必须支撑风机的重量，并在风机运行时保持稳定。由于平台内部中空，一般由大型钢或混凝土结构制成，因而能够为风机提供足够的浮力，从而保障风机的平稳运行。有些平台可以在港口实现整体组装，然后托运至目的地安装，而底部固定结构需要专门的船只现场安装，因此浮式平台的价格可能比固定式更便宜。

浮式平台可以支持功率达10兆瓦甚至更大的功率的风机，这与其他海上风机的功率不相上下，是一般的陆上风机容量的好几倍。

为什么需要浮式风机？

美国西海岸、五大湖、地中海等区域具有最为丰富的风力资源，但这些区域往往远离海岸，水深达数百英尺。

美国海上风电潜力最大的地区（如美国西部海域）水深太深，无法安装固定式风机。

12月初拍卖的美国租赁区占地约583平方英里，分两个区域：一个位于加州中部的莫罗湾，另一个位于俄勒冈州边界附近。由于加州附近水深下降的非常快，因此距离海岸几英里的风力发电场都必须采用浮式风机。

据政府估计，一旦建成，这五个地区的风电场将提供约4.6GW的清洁电力，足以为满足150万户家庭的用电需求。中标企业表示，装机容量可能还会超过4.6GW。

但在水面安装风机需要时间。租赁拍卖的中标企业将接受司法部的反垄断审查，然后进行长期的规划、许可和环境审查，整个过程通常需要数年时间。

在全球范围内，欧洲和亚洲已有多个浮式风机大规模示范项目在运行。苏格兰的Hywind项目于2017年成为首个商业化海上浮式风电场，安装有五台6MW的风机，风机采用单立柱平台，由挪威能源公司Equinor设计。

Equinor Wind US在加州中部项目的竞标中胜出。RWE是另一个中标的公司。RWE在欧洲运营有风力发电场，并拥有三个浮式风机示范项目。其他参与的企业包括哥本哈根基础设施合作伙伴公司（Copenhagen Infrastructure Partners）、Invenergy和Ocean Winds公司，这些企业在大西洋海域都有租赁或拥有已建成的海上风电场。

浮式海上风电场正发展成为商业化技术，但仍有技术挑战需要解决。平台运动可能会造成叶片和塔筒上产生更大的力，以及更为复杂和不稳定的空气动力。

此外，随着水深加大，系泊缆、锚和电缆的成本可能会变得非常高，因此需要更便宜但仍然可靠的技术。

但不管怎样，未来将会出现越来越多的浮式海上风机。

文｜鹰投海洋科技

编辑、整理｜Jennifer & Daniel