在讲解海上风电场建设前,偶想首先有必要介绍一下海上风电场的构成,以及风电机组的结构和基本形式。
1 海上风电场的构成
海上风电场一般建设在海边风力较大处,通常由一定规模的海上风电机组以及变电设施构成,通过在风电场海底敷设输电电缆,将其所发电力送至陆上。
1.1 风电机组
风电机组主要由风电机舱(内装齿轮箱和发电机)、轮毂、叶片和塔筒等构件组成。风机的工作原理是空气动力学原理。风并非”推”动风轮叶片,而是吹过叶片形成叶片正反面的压差,这种压差会产生升力,令风机旋转并经过齿轮箱进而带动风力发电机转子。由此,叶片和风机将风的动能(即空气的动能)转化成发电机转子的动能,然后再将转子的动能又转化成电能输出。
1.1.1 叶片
叶片直径决定了风电机组的功率。当前,主流的海上风机发电容量在3~5MW之间,风机叶片长度在45~60m之间。为有效利用海上风能,风机叶片要长期在恶劣的环境中不停地旋转做功,叶片必须具有重量轻、抗疲劳、耐腐蚀、高强度等性能。
1.1.2 风机舱与轮毂
轮毂在风机的最前端,可转动,其上安装风叶,内部有轴系联结齿轮箱;风机舱中安装有发电机、齿轮箱、低速轴、高速轴、高速闸、油水冷却装置和维修设备等。
1.1.3 塔筒
塔筒一般由空心管状钢材制成,设计主要考虑在各种风况下的刚性和稳定性,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源最丰富的高度。3MW以上的风机,塔筒高度超过80m。
1.1.4 基础
基础结构的主要作用是固定风电机组,主要有四种基本形式:陆地基础、单桩基础、基脚架基础和浮式基础。
陆地基础
—该基础结构是海上风电场采用的第一种基础结构,主要是靠体积庞大的混凝土块的重力来固定风机的位置。
单桩基础
—该基础结构适用于30m的中水域,利用打桩、钻孔或喷冲的方法将桩基安装在海底泥面以下一定的深度,通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜以保证基础的平正。
基角架基础
—该基础结构适用于30m~60m的中水域,较单桩基础结构更为坚固和多用,但其成本较高。
浮式基础
—该基础结构适用于60m的深水域,由于其不稳定,意味着仅能应用于海浪较低的情况。
1.2 海上风电场的输电系统
迄今为止已建成海上风电场大部分采用高压交流输电系统(HVAC),其由以下几部分组成:交流集电线路,海上升压站和无功补偿设备,海底电缆,陆上变电站和无功补偿设备。通过交流集电线路将各个风力发电机组产生的电收集起来,再通过海上升压站将电压升高,然后通过海底电缆将电输送到陆上变电站。此外,基于电网换相换流器(LCC)的直流输电系统被广泛应用于陆上长距离输电和海底电缆等领域,技术较为成熟。
2 海上风电场的建设
当前,海上风机的安装主要分为整体安装和分体安装。
整机安装流程为:
在海底打桩,安装基座;
在岸上将塔筒、机舱和叶片装配好,进行风机整体测试和调试;
将风机整体运输至风电场,然后吊装在基座上。
分体安装法流程为:
在海底打桩,安装基座;
将风机各部件运输至风电场;
吊装塔筒,吊装机舱和叶片,完成组装、测试及调试。
2.1 海上风电机组的安装平台
海上风电机组的安装可通过千斤顶驳船或者浮吊船完成。
2.2 海上风电机组的安装方式
根据欧洲地区海上风电场施工工程公开的Opti-OWECS报告,海上风电机组的安装方式主要有三种:千斤顶安装(Jack- up Installation),半沉式安装(Semi-Submersible Installation)和漂浮式安装(Float-Over Installation)
2.3 建设后的运营维护
建成后的海上风电场大致可以分为7个部分:
1. Wind Turbine (风机)
2. Wind Turbine Foundation (风机基础)
3. Array Cables (矩阵电缆)
4. Offshore Substations (海上变电站)
5. Export Cables (海底电缆)
6. Onshore Cables (陆上电缆)
7. Onshore Substations(陆上变电站)
完成1-7之后并网。 项目建成后,1~3归项目开发商运营和维护,4~7归OFTOs (Offshore Transmission Owners)运营和维护
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