海上测风塔基础设计成果

1.我国海上风能状况

从20世纪70年代至2006年期间，我国先后组织开展了三次全国风能资源普查。在此基础上，于2008年由中国气象局牵头正式启动了“全国风能详查与评价”项目。评价结果显示，我国风能资源丰富，陆上50m高度层年平均风功率密度大于等于300W/m2的风能资源理论储量约73亿k W。具体而言，我国陆上50m、70m、100m高度层年平均风功率密度大于等于300W/m2的风能资源技术开发量分别为20亿k W、26亿k W和34亿k W[1]。

详查和评价结果进一步表明，我国山东省、江苏省和福建省等地沿海分布有风能资源丰富的广阔区域，适宜规划建设大型风电基地。台湾海峡风能资源最丰富，其次是广东省东部、浙江省近海和渤海湾中北部，相对而言近海风能资源较少的区域分布在北部湾、海南岛西北、南部和东南的近海海域。若从总体上了解我国海上风能概况，一方面应关注我国海上风能的总储量与总开发量，另一方面还应考量我国毗邻海区风能的时空分布和变化。

我国毗邻海域的多年平均风速整体上显示为东海和南海平均风速大于黄海和渤海平均风速。台湾海峡由于具有狭管效应及海陆分布的局部特点，在中国毗邻海域中为大风速海区，平均风速在10m/s左右。在黑潮主轴海域、吕宋海峡和对马海峡海域风速也较大，平均风速在8m/s以上。黄海和渤海沿岸的平均风速约为6m/s，而东海和南海沿岸的多年平均风速在7.5m/s以上。渤海北部辽东湾海域的平均风速在6.7m/s左右，为渤海的大风速海域。长江口沿岸的舟山海域，风速平均值较外海更大，约为8m/s[2]。

我国近海浅水区域海面风能密度具有明显的季节变化，12月我国近海平均风速达到最大，其中水深小于60m的海域平均风能密度为434W/m2，11月和翌年1月各浅水区域平均风能密度相当。我国近海浅水区域冬季（11月、12月、翌年1月）风能密度较大，主要由于冬季在欧亚大陆高压的作用下，我国沿海浅水区域的局地风速由西伯利亚高压和阿留申低压作用而形成的强劲冬季风而决定。夏季（5月、6月、7月）风能密度较小，5月风能密度在我国近海浅水各区域达到最小值，其中水深小于30m的海域平均风能密度为101W/m2，为各区域各月份最小值，但仍大于100W/m2[2]。

2.海上风力发电概述

根据我国《可再生能源发展“十二五”规划》，到2015年，累计并网风电装机容量达到1亿k W，年发电量超过1900亿k W·h，其中海上风电装机容量达到500万k W。截至2015年年底，已建成投产海上风电场约66万k W，“十二五”期间海上风电实际完成量约占规划目标的15%。2014年12月，国家能源局出台了《全国海上风电开发建设方案（2014—2016年）》，该方案包含8个沿海省（自治区、直辖市）44个项目，总容量1053万k W。目前已有14个项目核准，总装机容量约291万k W，30个项目正在开展前期工作，总装机容量约762万k W。根据《国家应对气候变化规划（2014—2020年）》，到2020年，我国累计并网风电装机容量达到2亿k W，年发电量超过3900亿k W·h，其中海上风电装机容量达到3000万k W。

海上风电相对于陆上风电而言优势非常明显，但当前阶段我国海上风电发展也面临着许多问题。首先，海上风电规划海域与其他部门的海域规划存在重叠冲突，导致风电场用海面积减小、选址变化、海缆路线变动、成本增加等情况时有发生。海上风电发展除应注意海洋局和地方规划部门对于海洋及近海区域发展规划的协调之外，还需注意与军事用海的协调[3]。其次，海上风电设计技术尚未成熟、施工装备水平低、安装能力弱，无论是相关设计技术方面还是海上安装设备、风机制造技术等方面均处于起步阶段，且我国具有特殊的地质条件和建设工程特点，不宜直接照搬国外海上风电建设技术。再次，海上风电的建设维护成本高、不可控的影响因素多，相对于陆上风电开发而言风险性较大。国家发改委于2014年下发关于海上风电电价政策的文件，规定2017年以前，投运的近海海上风电项目上网电价为0.85元/（k W·h），潮间带风电项目上网电价为0.75元/（k W·h），这对于合理的评估海上风电开发项目的投资风险具有重要的指导意义。

3.海上风力发电特点

随着陆上风电场开发经验的积累和大型风力发电机组生厂商技术的进步，风电行业的开发逐步由陆上过渡到海上。由于海上风电所特有的相对优势，进而得到了各国政府的大力支持和推进，全球范围内海上风电事业正在蓬勃发展。

相对于陆上风电而言，单从电量产出角度来看海上风力发电的优势非常明显，主要包括以下方面：

（1）表面粗糙度小。国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）中指出，近海海面和海岛、海岸、湖岸等地区为A类粗糙度，田野、乡村、丛林、丘陵等地区为B类粗糙度。由此可知海上的粗糙度远小于陆上，海上风切变小，风速沿竖向分布变化较小，可在较低的高度上获得等量的风速，或在同样的高度上获得更大的风速。这就使得海上风力发电机组的塔筒高度相对陆上而言要低一些，可节省其造价和安装费用。(www.xing528.com)

（2）湍流强度小。海上的昼夜温差和季度温差相对于陆上要小得多，这便使得海上空气的湍流强度相对比较小。针对风力发电机组而言，湍流为风力发电机组叶轮扫略面范围内风速分布和风向改变的量值表征，湍流强度小使得风力发电机组受力变异性小，对于风力发电机组的叶片、塔筒和其基础结构的疲劳寿命较为有利。

（3）阴影效应小。风力发电机组阴影区的风能较小，湍流较大，风电站建设时风力发电机组平均分布距离为3～9倍转轮直径。由于海面相对高的光滑性，海面上风速切变也相应很低，风速在垂直方向上变化并不是很大，因此在海上可以建设大约为转轮直径0.75倍的较低风塔，而陆上风塔的高度通常接近于转轮直径或更高一些，这样海上风力发电机组平均分布间隔也比陆上风力发电机组要小一些[4]。

（4）经济效益高。研究资料表明，相对于陆上风场，离岸10km的海上风速通常比沿岸陆上高25%[5]。海上风速高，且静风期短，风力发电机组发电的利用小时数高。海上风电场更适合建设大型单机容量的机组，目前主流为5MW机组，因此海上风能的利用效率更高，对降低单位千瓦的投资非常有利，海上风电具有明显的经济优势。此外，海上风电场位于我国沿海发达地区，电量可以就近消纳，而不需要额外的高电压传输线路投资。

（5）对人居环境的影响相对较小。随着社会人口的增多、人类居住面积的改善和工业化的发展，土体资源变得更为稀缺，而海上风电建设不需要占用陆地面积，可节省土地资源。对人类居住的陆上生态和自然环境的影响也不存在，从而不会产生视线影响和噪声污染等问题。

客观整体上来看，海上风电场的投资成本要远远高于陆上风电场的，其维护费用也远远高于陆上风电场的。将风电场作为一个整体按照投资风险分析和评估后方能得出孰优孰劣的经济性评价。

4.海上风力发电的环境问题

尽管海上风电的建设避开了陆上环境和人类居住环境的影响，但也会带来新的关于海洋环境、生态和海洋产业等方面的影响。

（1）对通航的影响。海上风电场的规划选址中一般都尽可能避开已有航线，但避开的距离大小各不相同。在正常的通航条件下，航线附近存在风电场并不会对通航产生较大影响，因为船舶的雷达系统和风力发电机组的报警装置将起到相应的预防作用。但在大雾等恶劣天气以及船舶失控状态下其碰撞的概率将会大幅提高。

（2）对海洋生态的影响。海上风电对海洋生物的影响主要指其对鱼类和鸟类等海生物的影响。至于海上风电场是否会对该海域的鱼类产生影响，例如是否会影响鱼群的数量、洄游、产卵、生长等，目前的研究还缺乏足够的结论，但一般倾向于对鱼类的生存和数量无关键性的影响[6]。但部分情况下产生的影响可能远大于人们的直观想象，如我国珠海桂山海上风电场，距离中华白海豚国家级自然保护区只有2.5km，目前由于海洋环评的问题而导致项目停滞。环评显示，风力发电机组桩基施工产生的高频噪声会影响中华白海豚的听觉，导致其觅食和社交活动受到干扰，水质污染会通过食物链影响白海豚的健康，还容易使其皮肤受感染[7]。此外，风力发电产生的噪声和电磁场会干扰鸟类的飞行路线。

（3）对原海床的影响。海上风电建设会改变风力发电机组基础结构附近的海流流态，在基础结构前后位置产生尾涡和马蹄涡，涡旋使得海床面产生冲刷，部分海床颗粒会被带走。当原始海床面存在一定坡度情况下，严重时会影响整个海底岸坡的滑动稳定性，从而导致海床面的大范围改变。