漂浮式风电机组（新概念风力发电机）

简介

漂浮式风电机组这个概念最早于1972年由HERONEMUS提出，直到2009年，由挪威国家石油和天然气公司Equinor投资的世界上第一台漂浮式风机“Hywind”建成使用。在截至2023年，欧洲在开发海上风电技术方面处于领先地位，其中位于英国的“Hywind Scotland”于2017年10月开始运行发电，中国漂浮式风电发展起步较晚，截至2023年，处于样机验证阶段。2021年8月，三峡集团在广东阳江安装中国首台半潜式浮式风力发电机，2022年5月，中海油文昌漂浮式风电平台正式开工建造，2024年7月3日，全球单体容量最大的漂浮式风电平台“明阳天成号”（OceanX）在中国船舶黄埔文冲正式完成安装。

漂浮式风电机组原理就是将风电机组安置在水下的漂浮平台（或称浮式基础）上，并通过几根锚索固定在海底的海床上，以达到随风浪移动。由传输系统及外输方案组成。漂浮式风电机组的浮式结构在海上具备长期生存的能力，在成本方面，具有更好的经济性；同时漂浮式风机安装形式、位置更加灵活，可有效减少噪声、电磁波等危害的等。截至2023年，浮式风机概念有50余种，主要包括驳船式、半潜式、立柱式和张力腿式等4种型式。

随着近海风电资源的逐步开发、生态约束趋紧、以及其他经济活动需求增大等原因，导致近海场址资源逐步趋紧，深远海开发将会是未来的主要方向，漂浮式风电将会迎来较快发展。

发展历程

概念提出

1972年HERONEMUS首次提出海上漂浮式风机的概念，限于当时技术及成本制约，没有进行工程化应用。

发展现状

2009年，由挪威国家石油和天然气公司Equinor投资，世界上第一台漂浮式风机“Hywind”建成使用，该风机装机容量2.3MW，叶轮直径82.4m，转轴高度65m，重1500t，采用三悬链系泊系统。

在截至2023年的过去15～20年间，欧洲在开发海上风电技术方面处于领先地位，并在此过程中积累了重要的经验和专业知识。其中位于英国的“Hywind Scotland”是全球首个漂浮式风电场，由Equinor和Masdar共同投资，该风场采用5台单机容量6MW的风电机组，于2017年10月开始运行发电，自“HywindScotland”开始生产以来，每年漂浮式风电场的平均容量系数都达到了英国所有海上风电场的最高水平，证明了漂浮式海上风电场的潜力。中国漂浮式风电发展起步较晚，截至2023年，处于样机验证阶段。中国漂浮式示范项目大都由央企投资建设，采用半潜式基础，水深大体在40m～50m。2021年8月，三峡集团在广东阳江安装中国首台半潜式浮式风力发电机，风机采用明阳智能MySE5.5MW机型，排水量约13000t，水深30m～50m，设计吃水13.5m，平台型深32m。截至2021年底，全球累计安装漂浮式风电机组43台，累计装机量达150.87MW，大部分漂浮式风电机组集中在欧洲，主要分布在挪威、葡萄牙、英国、法国和西班牙等国家，其中英国漂浮式风机装机量达80MW，超过全球的一半，葡萄牙次之，累计装机2MW。

2022年5月，中海油文昌漂浮式风电平台正式开工建造，该平台采用新型三角形半潜式平台，平台中心立柱搭载一台7.25MW风机，平台干重5000余吨、总排水量12000m。文昌漂浮式项目水深120m，离岸距离136km，标志着中国海上风电正逐步走向深远海。2024年7月3日，随着风力发电机的风叶与轮毂精准对接，全球单体容量最大的漂浮式风电平台“明阳天成号”（OceanX）在中国船舶黄埔文冲正式完成安装。

功能原理

漂浮式风电机组原理就是将风电机组安置在水下的漂浮平台（或称浮式基础）上，并通过几根锚索固定在海底的海床上。通常情况下，漂浮平台位于水深30米至200米处，以达到随风浪移动。

主要构造

传动系统

传动系统是漂浮式风电机组的关键装置，是整机的核心和技术进步的集中体现，在风机建造总成本中占比较高。市场上最多的是直驱永磁发电机组、双馈异步风力发电机组、半直驱混合驱动风力发电机组等3类。双馈式风力发电机采用多级齿轮箱，具有体积小、质量轻等优点，但齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出。直驱式永磁风力发电机组省略齿轮箱，将主轴与低速多极同步发电机直接相接，运行稳定，降低了故障率，但直驱风电机组一般体积较大，造价成本相对较高。半直驱综合双馈与直驱的传动特点，采用中速齿轮箱+中速永磁同步发电机+全功率变频技术，兼顾直驱的高稳定性和双馈的低成本优势，即避免使用多级齿轮箱导致的故障率偏高，也减轻了永磁发电机的体积和质量，是未来发展的趋势。

外输方案

海底电缆是连接海上风电场和陆上电网的重要载体，是海上风力发电建设的重要组成部分，随着海上风电场逐渐深水化，必然要求海底电缆具有运输长度大、容量大、电压高、损耗低的特点。海缆电流传输类型主要以直流为主，电压呈逐步升高的趋势，采用的绝缘材料以交联聚乙烯（Cross linked Polyethylene）为主。

主要分类

漂浮式基础结构主要适用于水深超过60m的深远海区域，据不完全统计，截至2023年，国际上见诸报道的浮式风机概念有50余种，主要包括驳船式（Barge Platform）、半潜式（Semi-Submersible）、立柱式（Spar）和张力腿式（Tension Leg Platform）等4种型式。

驳船式

驳船式基础平台一般由混凝土制成，运行原理类似于船舶，拥有较大的水线面面积、吃水较小、稳定性优异，施工运输、安装方便，通常适合安装在水深大于30m区域。同时驳船式基础由于其独特的设计，在大风浪海域中横摇和纵摇运动响应剧烈，适合平静海域。截至2023年，全球驳船式基础平台有10台，占比23.3%，，具有代表性的驳船式基础项目为日本新能源产业技术综合开发机构（The New Energy and Industrial Technology Development Organization， NEDO）的“IDEOL”。

半潜式

半潜式基础对水深要求灵活，可在浅水区作业，并且运输费用较立柱式与张力腿式基础要低，同时可在港口侧大修，是目前应用最为广泛的漂浮式基础。但半潜式基础需要较高的结构质量以提供足够的浮力与稳定性，增加了基础成本；同时较多的焊接接头及复杂的钢结构构造增加了制造难度。截至2023年，全球半潜式基础平台有23台，占比53.5%，具有代表性的半潜式基础概念有Principle Power的“WindFloat”、Technip/Nenuphar的“VERTIWIND”、DCNS的“SeaReed”、GustoMSC的“Tri-Floater”、Nautilus的“Nautilus”、Aerodyn Engineering 的“Nezzy SCD”等。中国首个漂浮式风电“三峡引领”号示范样机也于2021年底并网发电，该样机采用半潜式基础形式，单机容量5.5MW，轮毂中心高度距海平面约107m，叶轮直径158m，截至2023年，中国已投产及预计投产的漂浮式风电平台基础型式全为半潜式基础。

立柱式

立柱式基础具有质量轻、结构简单、设计简单、稳定性好、成本低等优点，是最成熟的技术之一；但对水深具有一定要求（一般安装在水深大于 00m的海域），较大吃水限制了将立柱式基础拖回港口进行大修的能力，同时立柱式基础巨大的体积给安装与运输增加了难度。截至2023年，全球立柱式基础平台有5台，占比11.6%，具有代表性的立柱式基础概念为Equinor的“Hywind”、Sway A/S的“Sway”、UPC的“WindCrete”、Todaconstruction的“Hybrid spar”、Deepwindconsortium的“Deepwindsparc”等。

张力腿式

张力腿式基础具有结构质量低、风电机组活动部件少、稳定性出色等优点；但张力腿式基础的安装需要定制安装驳船，安装难度较大，并且对系泊和锚泊系统具有较高的载荷。截至2023年，全球张力腿式基础平台有5台，占比11.6%，具有代表性的张力腿式基础概念为Glosten Associates的“PelaStar”、Blue H Group 的“Blue H TLP”、GICON的“GICON-SOF”、Iberdrola的“TLPWind”等。

主要特点

漂浮式风电机组的浮式结构在海上具备长期生存的能力；在资源层面，深远海区域面积广阔，风能资源丰富，可开发潜力大；在成本方面，随着水深的增加，固定式基础材料用量增多，施工难度增大，运维成本增加，一般认为，在水深超过60m后，漂浮式风电将更为合适。另外，深远海区域广阔，漂浮式风机可建设成大规模的风电场，具有更好的经济性；同时漂浮式风机安装形式、位置更加灵活，可有效减少噪声、电磁波等危害；漂浮式风电能够利用海上油气行业的现有基础设施和供应链能力，可有效降低成本。最重要的是，漂浮式海上风电场提供了进一步扩大所用风电机组单机功率和尺寸的可能性，有助于降低每千瓦时发电的最终成本。

应用领域

漂浮式风电机组是一种应用在风力发电领域的设备。

发展趋势

随着近海风电资源的逐步开发、生态约束趋紧、以及其他经济活动需求增大等原因，导致近海场址资源逐步趋紧，深远海开发将会是未来的主要方向，漂浮式风电将会迎来较快发展。

除了利用浮式风机进行传统的并网输电之外，不少研究者还提出利用浮式风机对远洋油气开采平台、可燃冰开采平台、海底矿能开采设施等提供就近的电力输送；将浮式风机与远洋养殖业结合，为远洋养殖鱼箱提供主体结构的同时，也为相关设备提供电力；甚至于，将浮式风电与制氢结合，从而避免电力的远距离输送问题；诸如等等。

相关案例

2021年5月26日上午，全球首台抗台风型浮式海上风电机组在广东阳江海上风电产业基地装配完成并测试下线。标志着中国浮式海上风电关键技术实现新的突破，为深远海风电规模化、经济性开发奠定坚实基础。首台漂浮式海上风电机组实现海上浮式风机一体化设计、平台及系泊系统设计等多项关键技术突破，并成为全球第一台抗台风型海上漂浮式风机，最高可抗17级台风。

2024年7月3日，随着风力发电机的风叶与轮毂精准对接，全球单体容量最大的漂浮式风电平台“明阳天成号”（OceanX）在中国船舶黄埔文冲正式完成安装。这也是全球首台双风机漂浮式海上风电平台，首创“V”字型塔架结构，总装机容量达到16.6兆瓦。该平台由明阳集团自主研制，其漂浮式基础由黄埔文冲建造。据测算，“明阳天成号”正式投运后，平均每年可发电约5400万度，能满足3万户三口之家一年的日常用电。该海上风机可以有效减少单位千瓦造价、用海面积和运维成本，将为中国海上风电由近海向深远海发展、实现“双碳”目标提供开创性方案。