三、海上风力发电机
(一)海上风力发电场
1．海上风力发电场前景广阔
海上风力发电场(见图3-26)风速高且稳定，是国际风电发展的新领域。在欧洲北部海域，60m高度处的平均风速超过8m/s，比沿海好的陆上场址的发电量高20%～40%。近海区域空气密度高，风速平稳，风能资源丰富且容易预测。为此，欧洲一些国家纷纷兴建海上风力发电场，为下一步风电的高速增长开拓新的市场。陆地、海上风速剖面图比较如图3-27所示。
图3-26 海上风力发电场
图3-27 陆地、海上风速剖面图比较
根据海上特点，一些风力发电机公司都对海上风力发电机组进行了特别的设计和制造，对海上风力发电场的建设也作了很多研究，包括对海上风力发电场的风力资源测试评估、风力发电场选址、基础设计及施工、风力发电机组安装等，并开发出专门的海上风能资源测试设备及海上风力发电机组的海上安装平台集成。
2．海上风力发电场的发展
海上风力发电场的开发主要集中在欧洲和美国。
海上风电发展大致可分为5个时期:1977—1988年，欧洲对国家级海上风力发电场的资源和技术进行研究;1989—1990年，进行欧洲级海上风力发电场研究，并开始实施第一批示范计划;1991—1998年，开发中型海上风力发电场;1999—2005年，开发大型海上风力发电场和研制大型风力发电机;2005年以后，开发大型风力发电机海上风力发电场。
1990年，在瑞典Nogersund安装了由WindWorld制造的2．2MW海上风力发电机，是世界上第一台海上风力发电机组。1991年，丹麦Vindeby建设了有11台风力发电机的海上风力发电场，Bonus制造450kW风力发电机组。2002年，丹麦建设了5个海上风力发电场，海上风电总装机容量达250MW。2003年，丹麦在Nysted海域建成了世界上最大的近海风力发电场，有72台2．3MW机组，装机容量为165MW。
到2003年底，世界近海风电总装机容量达到53MW。2005年以来，德国也开始大规模开发，十多家公司和发展财团在德国沿岸海域筹划兴建装机容量达1200万kW的风力发电场。为避免影响沿海的保护区，很多项目的选址在离岸达60km、水深达35m的海域。在北海的布坎(Borkum)岛外，开始进行100万kW近海风力发电场的开发。
(二)海上风力发电技术
1．海上风力发电机支撑技术
海上风力发电机支撑主要有底部固定式支撑和悬浮式支撑两类。底部固定式支撑有重力沉箱基础、单桩基础、三脚架基础三种方式，如图3-28和图3-29所示。
图3-28 海上风力发电场底部固定式支撑方法
(a)重力沉箱基础(b)单桩基础(c)三脚架基础
图3-29 海上风力发电场单桩基础及三脚架基础
(1)重力沉箱基础
重力沉箱基础用沉箱自身质量使风力发电机矗立在海面上。Vindeby和TunoeKnob海上风力发电场基础就采用这种传统技术。在风力发电场附近的码头用钢筋混凝土建造沉箱，然后使其漂至安装位置，用沙砾装满，以获得必要的质量，继而将其沉入海底。海面上基础呈圆锥形，可减少海上浮冰碰撞。Vindeby和TunoeKnob风力发电场的海水深度变化范围为2．5～7．5m，每个混凝土基础的平均质量为1050t。该技术进一步发展后，用圆柱钢管取代钢筋混
凝土沉箱将其嵌入到海床里，可适用于水深小于10m的浅海地区。
(2)单桩基础
单桩基础由直径3～4．5m的钢桩构成。
钢桩安装在海床下18～25m的地方，深度由海床地面的类型决定。单桩基础有力地将风塔伸到水下及海床内，这种基础的优点是不需整理海床，但需要重型打桩设备，还需要防止海流对海床的冲刷。该技术应用范围是海水深度小于25m。
(3)三脚架基础
三脚架基础吸取了海上油气工业中的一些经验，采用了质量轻、价格低的三脚钢套管。
风塔下面的钢桩焊在钢架上，这些钢架承担和传递塔身载荷。钢桩被埋置于海床下10～20m的地方。
悬浮式支撑有浮筒式和半浸入式两种，主要应用于水深75～500m的范围，如图3-30所示。
图3-30 海上风力发电场悬浮式支撑方式
(a)浮筒式支架(b)半浸入式支架
1)浮筒式支撑。浮筒式基础被8根缆索固定在海面上，缆索与海床相连，风力发电机塔筒通过螺栓固定在浮筒上。
2)半浸入式支撑。主体支撑结构浸在海水中，通过缆索与海底的锚锭连接。该形式受波浪干扰较小，可以支撑3～6MW、旋翼直径为80m的大型风力发电机。
2．海上风力发电机设计技术
海上风力发电机的特点是离岸并在海中。离岸产生的额外成本主要包括海底电缆和风力发电机基础成本，取决于水深和离岸的距离，与风力发电机的尺寸关系不大。因此，对选定功率的风力发电场，宜采用大功率风力发电机，以减少风力发电机个数，从而减少基础和海底电缆的成本。
海上风力发电机是在陆地风力发电机基础上，针对海上风场环境，适当改进设计发展起来的，具有以下特点。
1)高翼尖速度。陆地风力发电机优化设计着重降低噪声，而海上风力发电机优化设计则是以空气动力效益最大化为目标，采用高翼尖速度、小桨叶面积，使海上风力发电机的结构和传动系统设计较简单。
2)变桨速运行。高翼尖速度桨叶设计有高的启动风速和大的气动损失。采用变桨速设计可改善气动性能，使风力发电机在额定转速附近有最大速度。
3)减少桨叶数量。现在大多数风力发电机采用三桨叶设计，存在噪声和视觉污染。
4)新型高效发电机。研制结构简单、高效的发电机，如直接驱动同步环式发电机、直接驱动永磁发电机、线绕高压发电机等。
5)海洋环境下风力发电机的其他部件。海洋环境下要考虑风力发电机部件对海水和高潮湿气候的防腐问题。塔筒应具有升降设备，满足维护需要。变压器和其他电器设备可安放在上部吊舱或离海面一定高度的下部平台上。控制系统要具备岸上重置和重新启动功能。备用电源用在特殊情况下，使风力发电机能安全停机。
(三)大功率浅海风力发电场投资概算
风力发电成本一般由两部分构成:一部分是风力发电场建设成本，即投资额，这是构成风电成本的主要部分;另一部分是运行维护成本，主要取决于风电设备的可靠性及风力发电场管理水平。
风电成本C(元/kW·h)可由下式计算:
式中 EC——每千瓦装机年发电量，kW·h/kW;
M——年运行维护费;
m——每千瓦时电运行维护费，国内一般为0.005元/kW·h左右;
A——年投资等额折旧;
P——每千瓦投资额，元/kW;
i——贷款利率，%;
n——折旧年限。
(四)国内海上风力发电场建设
在中国，海上风力发电场的建设正在起步。汕头的海上风电项目已正式动工，将在南澳周围分四片海域开发，总装机容量将达40万kW。浙江岱山将兴建总装机容量20万kW的海上风力发电场。上海拟建设东海大桥海上风力发电场，初步拟定布置50台单机2MW的风力发电机，总装机容量为100MW。风电由35kV海底电缆接入岸上110kV风力发电场升压变电站，再接入上海市电网。福建省已确定14个海上风力发电场选址，计划装机约397万kW。江苏东台已完成开发浅海20万kW海上风力发电场的前期准备。
(五)丹麦的海上风力发电场建设
丹麦有世界上最大的海上风力发电场，丹麦政府能源计划2030年，海上风电装机将达到4GW，投资共计70亿美元。加上陆地上的1．5GW，丹麦风力发电量将占全国总发电量的50%。
丹麦电力公司确定了四个海域适合建风力发电场，蕴藏量达8GW。选的这些地区必须在国家海洋公园、海运路线、微波通道、军事区域等之外，距离海岸线7～40km，使岸上的视觉景观影响降到最低。对风机基础的研究表明，在15m水深处安装风机比较经济，丹麦海域选择的风力发电场潜藏容量可达16GW。
