1、海上风电机组基础结构海上风电机组基础结构陈达陈达*参考书目录：海上风电机组基础结构陈达 等编著教教 材材推荐参考书推荐参考书海上风电机组地基基础设计理论与工程应用 王伟、杨敏 编著制备技术-海上风力发电机组-制造方法吴佳梁、李成锋编著海上风力发电机组-几何参数设计吴佳梁、李成锋 编著*通常海上风电机组上安装有3 片叶片, 而叶片的尺寸大小直接决定了海上风力发电机的功率大小。风机是风力发电的核心部分, 主要由转子、风速计、控制器、发电机、变速器等部分组成。一个完整的海上风电场由一定规模数量的单个风电机组和海底输电设备构成。单个的风电机组包括叶片、风机、塔身和风电机组包括叶片、风机、塔身和基础部分
2、基础部分。叶片叶片海上风电场的构成海上风电场的构成风机风机*塔身一般由空心的管状钢材制成, 设计主要考虑在各种风况下的刚性和稳性, 根据安装地点的风况、水况和风轮半径条件决定塔身的高度, 使风叶片处于风力资使风叶片处于风力资源最丰富的高度源最丰富的高度。由于海上风电机组的基础处于海上,增加了许多额外载荷和不确定因素, 因而设计较为复杂, 结构形式也由于不同的海况而多样化, 因而, 基础设计成了海上风基础设计成了海上风电场设计的关键技术之一电场设计的关键技术之一。塔身塔身基础基础*内容及计划内容及计划本课程主要内容本课程主要内容第六章：海上风电机组基础防腐蚀 （江朝华）第一章：绪论 （陈达）第二
3、章：海上风电机组基础结构环境荷载 （江朝华）第五章：浮式基础 （陈达）第三章：桩承式基础 （陈达）第四章：重力式基础 （陈达）*第一章：绪论第一章：绪论1.2.1 桩承式基础1.2.2 重力式基础1.2.3 浮式基础1.1 海上风电发展概况海上风电发展概况1.2 海上风电机组基础结构的分类和组成海上风电机组基础结构的分类和组成 1.1.1 国外海上风电发展概况 1.1.2 国内海上风电发展概况*风能概况风能概况能源总量能源总量 据估计到达地球的太阳能中只有大约2转化为风能，全球的风能全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开比地球上可开发利用的水能总量还要大
4、发利用的水能总量还要大1010倍。倍。风能提水风能提水风能动力风能动力*风能概况风能概况风能、太阳能和生物质能发展速度最快，产业前景也最好。风力发电相对于太阳能、生物质能等新能风力发电相对于太阳能、生物质能等新能源技术更为成熟、成本更低、对环境破坏更小，被源技术更为成熟、成本更低、对环境破坏更小，被称为最接近常规能源的新能源，称为最接近常规能源的新能源，因而成为产业化发展最快的清洁能源技术。风能的特征风能的特征*全球风电装机发展全球风电装机发展*全球风电装机发展全球风电装机发展截止2011年底，全球风电装全球风电装机容量达到了机容量达到了2.38105MW，累计装机容量实现了累计装机容量实现了
5、21%的的年增长年增长。全球75个国家有商业运营的风电装机，其中其中22个国家的装机容量超过个国家的装机容量超过1GW，风电正在以超出预期的发展速度不断增长。目前，丹麦丹麦用电量的28%来自风电，西来自风电，西班牙班牙用电量的16%来自风电，来自风电，德国德国用电量的8%来自风电来自风电，风电已成为欧洲国家能源转型的重要支撑，这为全球能源结构转型树立了榜样。欧洲风能利用协会将在欧洲的近海岸地区进行风能开发利用，希望在希望在2020年风年风能发电能够满足欧洲居民的全部用电需能发电能够满足欧洲居民的全部用电需求求。全球风电装机容量全球风电装机容量欧洲风能发展目标欧洲风能发展目标*中国风电装机发展中
6、国风电装机发展*中国风电装机发展中国风电装机发展我国风力发电始于上世纪80年代，自从2006年1月1日开始实施可再生能源法后，中国风电市场前期稳步发展、后期迅猛发展。如今在全球的风能发展中，中国风力发电的发展速度最快，至至2012年年6月，我国并网风电达到月，我国并网风电达到52.58GW，国家电网调度范围达到50.26GW，超过美国跃居世界第一跃居世界第一。2012年8月发布的可再生能源发展“十二五”规划提出到2015年，风电累计并网运行达1105MW。2007年2050年中国风电装机容量中国风电装机容量*中国风资源中国风资源“三北三北”地区地区东北、华北、西北可开发利用的风能储量约东北、华
7、北、西北可开发利用的风能储量约2 2亿亿kWkW，约占全国陆，约占全国陆地可利用储量的地可利用储量的7979。该地区地形平坦，没有破坏性风速，是我。该地区地形平坦，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模开发风电场。国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模开发风电场。 沿海及其岛屿地区沿海及其岛屿地区包括山东、广西和海南、江苏等省市沿海近包括山东、广西和海南、江苏等省市沿海近10km10km宽地带，约占全宽地带，约占全国陆地可利用储量的国陆地可利用储量的4 4。东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区富区。内陆局部风丰内陆局部风丰富区：富区：一些
8、地区由于湖一些地区由于湖泊和特殊地形的泊和特殊地形的影响，形成一些影响，形成一些风能丰富点，如风能丰富点，如鄱阳湖附近地区、鄱阳湖附近地区、湖北的九宫山和湖北的九宫山和利川以及湖南八利川以及湖南八面山等地区，适面山等地区，适合建设零星的中合建设零星的中小型风电场。小型风电场。海上风能丰富区海上风能丰富区*中国海上风资源中国海上风资源海上风电具有不占用土地资源、不占用土地资源、受环境制约少、风电机组容量更受环境制约少、风电机组容量更大、年利用小时数更高、更具规大、年利用小时数更高、更具规模化开发的特点模化开发的特点，使得近海风力发电技术成为近来研究和应用的热点。我国海上可开发和利用的风能储我国海
9、上可开发和利用的风能储量约量约2105MW，海上风能资源，海上风能资源丰富丰富，有巨大的蕴藏量和广阔的发展前景，特别是东部沿海水深特别是东部沿海水深50m内的海域面积辽阔，距电力内的海域面积辽阔，距电力负荷中心很近，随着开发技术的负荷中心很近，随着开发技术的成熟，海上风电必将成为我国东成熟，海上风电必将成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能部沿海地区可持续发展的重要能源来源源来源。江苏省海上风电开发布局图海上风电海上风电优势优势我国我国海上风海上风能资源能资源* 1.1.1 国外海上风电发展概况目前国际上已建成且投入商业运行的海上风电场基本上商业运行的海上风电场基本上都在欧洲都在欧洲，这主要是
10、由于欧洲基本不受台风的影响，发欧洲基本不受台风的影响，发展海上风电场具有优势条件展海上风电场具有优势条件。自20世纪80年代起，欧洲开始积极探讨海上风电开发的可行性。瑞典瑞典于于1990年年安装了第一台实验性海上风电机组第一台实验性海上风电机组，离岸350m，水深6m，容量为220kW，该机组1998年停运。1997年开始在海上建立5台600kW的风电机组。2000年，兆瓦级风电机组开始在海上应用示范，并规划筹建11座海上风电场，至2008年已建成15座海上风电场。国外海上风电总体情况国外海上风电总体情况瑞典瑞典*1.1.1 国外海上风电发展概况丹麦发展海上风电也较早，全国有6%的用电来自近海
11、风电场。1991年丹麦在波罗的海洛兰岛西北沿海附近建成了世界上第一个海上风年丹麦在波罗的海洛兰岛西北沿海附近建成了世界上第一个海上风电场，电场，安装11台450kW风电机组，1995年又建成10台500kW海上风电机组，2003年还建成了当时世界上最大的近海风电场年还建成了当时世界上最大的近海风电场，共安装80台2.0MW风电机组。出于对环境的考虑，丹麦的海上风电场只关注那些偏远的水深在511m之间的海域，所选的区域须在国家海洋公园、海运路线、微波通道、军事区域等之外，距离海岸线7到40km，使岸上的视觉影响降到最低。根据丹麦政府能源计划法案，2030年年以前丹麦风力发电量将占全国总发电量的以
12、前丹麦风力发电量将占全国总发电量的50%，其中，近四分之一，其中，近四分之一的风力发电量是由海上风电供给，最近的风力发电量是由海上风电供给，最近，丹麦政府提出到丹麦政府提出到2050年全年全部摆脱对化石能源的依赖。部摆脱对化石能源的依赖。丹麦丹麦*1.1.1 国外海上风电发展概况德国是欧洲地区风力发电的主阵地德国是欧洲地区风力发电的主阵地，由于缺乏合适的场地，德国陆上风电场的新建工作将在今后十多年中减缓，从而转向海上风电场的强制建设从而转向海上风电场的强制建设，目前已在12英里开外的深水地区，以及近海地区都建造了风电场。德国海上风电场。德国德国根据德国2002年公布的战略纲要，到2030年的长
13、期目标中，包括德国海岸地区、专年的长期目标中，包括德国海岸地区、专属经济区（属经济区（EEZ）和国土外围）和国土外围12英里范围英里范围内将达到内将达到2.5104MW的安装容量，产生的安装容量，产生7085TWh的电力，达到的电力，达到1998年电力需求年电力需求的的15%。最近德国提出到2050年80%的电力来自可再生能源、60%的能源来自可再生能源。德国海上风电目标德国海上风电目标*1.1.1 国外海上风电发展概况2003年底，英国3个战略海域（利物浦海湾、沃什湾，以及泰晤士河）的15个工程总装机容量逾总装机容量逾7000MW，英国计划到2030年年开发建设4.8104MW的海上风电的海
14、上风电。2010年达到年达到1500MW装机容量的目标已经实现。仅在爱尔兰东海岸地爱尔兰东海岸地区区正在进行另外6座电场座电场的调研，拟达到拟达到1000MW的装机容量。到2011年底，欧洲已建成建成53个海上风电场个海上风电场，分布在比利时、丹麦、芬兰、德国、爱尔兰、荷兰、挪威、瑞典和英国海域，装机容量达到装机容量达到3813MW，另有，另有5603MW的风电场在建的风电场在建。英国英国荷兰荷兰欧洲总体状况欧洲总体状况*1.1.1 国外海上风电发展概况2010年全世界风电装机容量布局图北美海上风电发展较晚北美海上风电发展较晚，目前为止还没有较大规模的风电场真正投入运行。加拿大目前准备建设的最
15、大的风电场是在安大略湖的Trillium风电场，装机容量为414MW。美国在2012年年1月才在政策上基月才在政策上基本确定支持尝试建立海上风电本确定支持尝试建立海上风电场场，目前在风能资源丰富的东海岸已经陆续有相关计划得到支持，比较大的是鳕鱼岬（Cape Cod）风电场，预计装机容量可达454MW。北美海上风电北美海上风电概况概况加拿大加拿大美国美国*1.1.2 国内海上风电发展概况 在海上风电方面，中国东部沿海风能资源可开发量50米高度约为200GW，70米高度约为500GW。目前我国目前我国已建成已建成的海上风电总装机容量约250MW。上海东海大桥海上风电项目是我国首个大型海上上海东海大
16、桥海上风电项目是我国首个大型海上风电项目，总装机容量风电项目，总装机容量102MW，采用，采用34台台3MW风电机组风电机组，2010年6月全部并网发电，其二期项目2011年10月并网运行1台单机容量5MW的样机，为我国首台并网运行的最大单机容量风电机组。江苏如东龙源海上风电场，是我国首个潮间带试江苏如东龙源海上风电场，是我国首个潮间带试验风电场，验风电场，总装机容量32MW，共安装16台海上试验机组，分别为6台1.5MW风电机组、6台2.0MW风电机组、2台2.5MW风电机组和2台3.0MW风电机组，2010年9月28日全部投产发电。我国海上风能资源概况我国海上风能资源概况我国海上风电场现状
17、我国海上风电场现状*1.1.2 国内海上风电发展概况 根据我国2012年8月发布的可再生能源可再生能源“十二五十二五”规划规划：2015年年中国海上风电将达到5GW，海上风电成套技术将形成并建立完整的产业链；2015年后将实现规模化发展，达到国际先进水平；2020年海上风电将达到年海上风电将达到30GW。截止到2012年8月，我国已开展前期工作和拟建的海上风电拟建的海上风电项目约项目约24个个。我国海上风电发展前景我国海上风电发展前景*1.2 海上风电机组基础结构海上风电机组基础结构的的分类分类及组成及组成海上风电机组通常由塔头（风轮与机舱）、塔架和基础三部海上风电机组通常由塔头（风轮与机舱）
18、、塔架和基础三部分组成。分组成。其中海上风电场基础海上风电场基础对整机安全至关重要，其结构具有重心其结构具有重心高、承受的水平风力和倾覆弯矩较大等受力特点，高、承受的水平风力和倾覆弯矩较大等受力特点，在设计过程中还须充分考虑离岸距离、海床地质条件、海上风浪以及海流、冰等外部环境的影响，从而导致海上风电机组基础的海上风电机组基础的造价约占海上风电场工程总造价的造价约占海上风电场工程总造价的20%30%。在充分考虑海上风电场复杂环境条件的基础上，慎重选择海上风电机组基础结构型式和合理设计是海上风电场建设的关键海上风电基础组成海上风电基础组成海上风电基础的特征海上风电基础的特征*1.2 海上风电机组
19、基础结构海上风电机组基础结构的的分类分类根据海上风电基础与海床固定形式划分：根据海上风电基础与海床固定形式划分：桩承式桩承式固定式固定式b) 浮式：浮式：主要用主要用于于50m以上水深海域以上水深海域重力式重力式适应的水深在适应的水深在050m海上风电基础的分类海上风电基础的分类* 桩承式基础结构受力模式和建筑工程中传统的桩基础类似，由桩侧与桩周土接触面产生的法向土压力承担结构的水平向荷载，由桩端与土体接触的法向力以及桩侧与桩周土接触产生的侧向力来承载结构的竖向荷载。1.2.1 桩承式基础桩承式基础按材料材料分：钢管桩基础钢管桩基础和钢筋混凝土桩基础钢筋混凝土桩基础； 按结构形式结构形式分：单
20、桩基础单桩基础、三脚架基础、导管架基础三脚架基础、导管架基础和群桩承台基础群桩承台基础。 桩承式基础桩承式基础桩承式基础分类桩承式基础分类*结构简单、安装方便受海底地质条件和水深约束较大，水太深易出现弯曲现象，对冲刷敏感，在海床与基础相接处，需做好防冲刷防护，并且安装时需要专用的设备（如钻孔设备），施工安装费用较高。单桩基础单桩基础 是目前使用最为广泛的一种基础型式目前使用最为广泛的一种基础型式，国外现有 的大部分海上风电场，如丹麦的Horns Rev和Nysted、爱尔兰的Arklow Bank、英国的North Hoyle、Scroby Sands和Kentish Flats等大型海上风电
21、场均采用了这种基础。单桩基础单桩基础特点特点不足不足应用状况应用状况*该基础吸取了海上油气开采中的一些经验，采用标准的三腿支撑结构，由圆柱钢管构成，增强了周围结构的刚度和强度。三脚架的中心轴提供风机塔架的基本支撑，类似单桩结构适用于比较坚硬的海床，具有防冲刷的优点。德国的Alpha Ventus海上风电场首批海上机组中的6台以及我国金风科技潮间带2.5MW试验机组如东项目都采用了三角架基础。 三脚架基础三脚架基础三脚架基础组成三脚架基础组成适用条件适用条件应用状况应用状况*是一个钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，基础为三腿或四腿结构，由圆柱钢管构成。基础通过结构各个支角处的桩打入海床。基础的整
22、体性好，承载能力较高，对打桩设备要求较低。导管架的建造和施工技术成熟，基础结构受到海洋环境载荷的影响较小，对风电场区域的地质条件要求也较低。英国在其北海海域开展的Beatrice实验性项目中采用了导管架基础，项目所在海域水深48m，导管架高62m，平面尺寸2020m。桩长为44m，桩径为1.8m，壁厚60mm。瑞典的 Utgrunden II 海上风电场项目也采用了导管架基础。导管架基础导管架基础导管架基础组成导管架基础组成应用状况应用状况特点特点*由基桩和承台组成，可根据地质条件和施工难易程度，可以做成不同根数的桩，外围桩一般整体向内有一定角度的倾斜，用以抵抗波浪、水流力，中间以填塞或者成型
23、方式连接。承台一般为钢筋混凝土结构，起承上传下的作用，把墩身荷载传到基桩上。 承载力高、抗水平载荷强、沉降量小而较均匀。现场作业时间较长，工作量大。群桩承台基础群桩承台基础 我国上海东海大桥海上风电场项目即采用了世界首创的风电机组群桩承台基础设计。基础由8根直径为1.7m的钢管桩与承台组成，钢管桩为5.5:1的斜桩，管材为Q345C，上段管壁厚30mm，下段管壁厚25mm，桩长为81.7m。群桩承台基础组成群桩承台基础组成特点特点不足不足应用状况应用状况*一般由胸墙胸墙、墙身墙身和基床基床组成。1.2.2 重力式基础重力式基础将塔筒和墙身连成整体；直接承受冰荷载、船舶撞击等荷载，并将这些荷载传
24、给下部结构；设置防冲设施、系船设施和安全设施等。根据墙身结构的不同，可分为 沉箱基础沉箱基础、大大直径直径圆筒基础圆筒基础和吸力式基础吸力式基础。重力式基础组成重力式基础组成胸墙的作用：胸墙的作用：重力式基础的分类重力式基础的分类*1.2.2 重力式基础重力式基础重力式基础的重量和造价随着水深的增加而成倍增加；重力式基础是所有基础类型中体积和质量最大的。重力式基础具有结构简单、造价低、抗风暴和风浪袭击性能好，其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。地质条件要求较好，并需要预先处理海床，由于其体积大、重量大，一般要达1000t以上，海上运输和安装均不方便，并且对海浪的冲刷较敏感。丹麦的Vindeby
25、和Middelgrunden海上风电场基础采用了这种传统技术重力式基础的特征重力式基础的特征重力式基础的不足重力式基础的不足应用状况应用状况*吸力式基础也称负压桶式基础，分为单桶、三桶和四桶单桶、三桶和四桶几种结构型式。这是一种新的基础结构概念，在浅海和深海浅海和深海区域中都可以使用都可以使用。在浅海中的吸力桶实际上是传统桩基和重力式基础的结合，在深海海域作为张力腿浮体支撑的锚固系统，更能体现出其经济优势。利用了负压沉贯原理负压沉贯原理，是一钢桶沉箱结构，钢桶在陆上制作好以后，将其移于水中，向倒扣放置的桶体充气，将其气浮漂运到就位地点，定位后抽出桶体中的气体，使桶体底部附着于泥面，然后通过桶顶
26、通孔抽出桶体中的气体和水，形成真空压力和桶内外水压力差，利用这种压力差将桶体插入海床一定深度。吸力式基础吸力式基础分类分类吸力式基础吸力式基础原理原理*吸力式基础省去了桩基础的打桩过程省去了桩基础的打桩过程，大大节省了钢材用量和海上施工时间，施工速施工速度快度快，便于在海上恶劣天气的间隙施工。可以事先安装好，再拖到工地，便于运输和安装。由于吸力式基础插入深度浅，只须对海床浅部地质条件进行勘察，而且风电场寿命终止时，可以简单方便的拔出并可进行二次利可进行二次利用。用。 在负压作用下，桶内外将产生水压差，引起土体渗流，虽然渗流能大大降低下沉阻力，但是过大的渗流将导致桶内土体产生渗流大变形，形成土塞
27、，甚至有可能使桶内土体液化而发生流动等，在下沉过程中容易产生倾斜，需频繁矫正。需频繁矫正。丹麦的Frederikshavn海上风电场的建设中首次使用了吸力式基础。吸力式基础吸力式基础优点优点吸力式基础吸力式基础的不足的不足应用状况应用状况*1.2.3 浮式基础浮式基础由浮体结构浮体结构和锚固系统锚固系统组成； 漂浮在海上的合式箱体，风电机组塔架固定于其上，根据锚固系统的不同而采用不同的形状，一般为矩形、三角形或圆形； 主要包括海底桶式或桩基础和连接设备，连接设备大体上可分为锚杆和锚链两种。锚固系统相应地分为固定式锚固系统和悬链线锚固系统。浮式基础是海上风电机组基础结构的深水结构型深水结构型式式
28、，主要用于50m以上水深海域。浮式基础浮式基础组成组成浮体结构浮体结构锚固系统锚固系统应用条件应用条件*浮式基础按照基础上安装的风电机组的数量分为多多风电机组式风电机组式和单风电机单风电机组式。按系泊系统可分为Spar式式、张力腿式张力腿式和半潜半潜式式三种结构型式。通过压载舱使得整个系统的重心压低至浮心之下来保证整个风电机组在水中的稳定，再通过悬链线来保持整个风电机组的位置。浮式基础浮式基础分类分类Spar式式基础原理基础原理*浮式基础采用锁链拉紧固定在海底，通过操作张紧连接设备使得浮体处于半潜状态，成为一个不可移动或迁移的浮体结构支撑；张力腿通常由14根张力筋腱组成，上端固定在合式箱体上，下端与海底基座模板相连或直接连接在桩基顶端，其稳定性较好。依靠自身重力和浮力的平衡以及悬链线来保证整个风电机组的稳定和位置。结构简单且生产工艺成熟，单位吃水成本最低，经济性较好张力腿张力腿式原理式原理半潜式半潜式原理原理*浮式基础浮式基础属于柔性支撑结构，能有效降低系统固有频率，增加系统阻尼。与固定式基础相比，其成本较低，容易运输，而且能够扩展现有海上风电场的范围。由于深海风电机组承受荷载的特殊性、工作状态的复杂性、投资回报效率等，浮式基础型式目前在风电行业仍处于研究阶段。浮式结构概况浮式结构概况*谢谢！*
