1.3　海上風(fēng)電場(chǎng)的構(gòu)成

海上風(fēng)電場(chǎng)是建造在海洋環(huán)境中的由一批風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電機(jī)組群組成的電站。一個(gè)完整的海上風(fēng)電場(chǎng)是由一定規(guī)模數(shù)量的單個(gè)風(fēng)電機(jī)組和海底輸電設(shè)備構(gòu)成。單個(gè)風(fēng)電機(jī)組包括葉片、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等四個(gè)部分，如圖1－2所示。風(fēng)電機(jī)組的整體設(shè)計(jì)、葉片的材料和加工技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、液壓和傳感技術(shù)是風(fēng)機(jī)制造的關(guān)鍵。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組而言，如何保證這些關(guān)鍵部件和儀器不被海上腐蝕環(huán)境所破壞、維持正常的工作狀態(tài)是關(guān)鍵。迄今為止，開(kāi)發(fā)商和風(fēng)電設(shè)備制造商已積累了10多年的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，不僅海上風(fēng)電機(jī)組的產(chǎn)品和型號(hào)不斷增多，對(duì)海上風(fēng)電設(shè)備特殊運(yùn)行條件的認(rèn)識(shí)也不斷深入。

1.3.1　葉片

風(fēng)輪是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，它由氣動(dòng)性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機(jī)組一般為2～3個(gè)葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測(cè)得的風(fēng)向信號(hào)，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對(duì)風(fēng)。通常來(lái)說(shuō)，海上風(fēng)電機(jī)組上安裝的葉片的大小直接決定了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率大小。目前大多數(shù)葉片的長(zhǎng)度在45～60m之間，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)容量在3～5MW之間。對(duì)于葉片，不僅要在空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上考慮其剖面的設(shè)計(jì)，發(fā)揮更大的風(fēng)力效益，也要考慮它在各種風(fēng)力條件下的強(qiáng)度問(wèn)題和作為整個(gè)海上風(fēng)電機(jī)組一部分的質(zhì)量問(wèn)題，這就需要采用合適的材料來(lái)制造葉片，目前采用的玻璃纖維增強(qiáng)塑料因其具有輕質(zhì)和較強(qiáng)的剛度，因而在葉片制造中廣泛使用，而伴隨著葉片尺寸的加大，預(yù)計(jì)今后采用碳纖維增強(qiáng)塑料將成為一種趨勢(shì)。

1.葉片材料的發(fā)展

風(fēng)機(jī)葉片材料的強(qiáng)度和剛度是決定風(fēng)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前，風(fēng)機(jī)葉片所用材料已由木質(zhì)、帆布等發(fā)展為金屬（鋁合金）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（玻璃鋼、GFRP）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）等，其中新型玻璃鋼葉片材料因?yàn)槠渲亓枯p、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、價(jià)格比較便宜等，成為大中型風(fēng)機(jī)葉片材料的主流。然而，隨著風(fēng)機(jī)葉片朝著超大型化和輕量化的方向發(fā)展，玻璃鋼復(fù)合材料也開(kāi)始達(dá)到了其使用性能的極限，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐漸應(yīng)用到超大型風(fēng)機(jī)葉片中。

具體而言，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，風(fēng)機(jī)葉片材料的選擇也會(huì)有所不同。一般較小型的葉片（如22m以下）選用量大價(jià)廉的E－玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，樹(shù)脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯酯或環(huán)氧樹(shù)脂；而較大型的葉片（如42m以上）一般采用CFRP或CF與GF混雜的復(fù)合材料，樹(shù)脂基體以環(huán)氧樹(shù)脂為主。例如，LM公司開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的長(zhǎng)61.5m的大型風(fēng)機(jī)葉片，其質(zhì)量為17.7t，在橫梁和端部就使用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；德國(guó)Nordex Rotor公司開(kāi)發(fā)的56m長(zhǎng)的風(fēng)機(jī)葉片也采用了碳纖維，而且他們認(rèn)為，當(dāng)葉片尺寸大到一定程度時(shí)，由于使用碳纖維增強(qiáng)，玻璃纖維和樹(shù)脂的用量可以減少，其綜合成本可以做到不高于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

為滿足風(fēng)機(jī)葉片的使用要求，目前玻璃纖維也在進(jìn)行技術(shù)革新。例如，歐文斯科寧開(kāi)發(fā)的Wind Strand新一代增強(qiáng)型玻璃纖維，可以在不增加葉片成本的情況下提高葉片的性能。據(jù)報(bào)道，Wind Strand可以提高葉片的硬度和強(qiáng)度，使葉片具有良好的抗疲勞性能，從而提高葉片的抗風(fēng)性能，增加葉片的壽命，提高葉片的能量轉(zhuǎn)換率。與傳統(tǒng)的E－玻璃纖維相比，增強(qiáng)型Wind Strand可以使葉片的重量降低10%，從而最終可以降低風(fēng)電的成本。

風(fēng)電機(jī)組工作過(guò)程中，風(fēng)機(jī)葉片要承受強(qiáng)風(fēng)載荷、砂粒沖刷、紫外線照射、大氣氧化與腐蝕等外界因素的作用。為了提高復(fù)合材料葉片的承載能力、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對(duì)樹(shù)脂基體系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)。例如，采用性能優(yōu)異的風(fēng)能專用環(huán)氧樹(shù)脂代替不飽和聚酯樹(shù)脂，可以改善玻璃纖維/樹(shù)脂界面的黏結(jié)性能，從而提高葉片的承載能力，擴(kuò)大玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍；同時(shí)，為了提高復(fù)合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中的長(zhǎng)期使用性能，還開(kāi)發(fā)了耐紫外線輻射的新型環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)。

據(jù)報(bào)道，愛(ài)爾蘭Gaoth風(fēng)能公司與日本三菱重工和美國(guó)Cyclics公司已開(kāi)始探討研制低成本熱塑性復(fù)合材料葉片。在愛(ài)爾蘭有關(guān)企業(yè)的資助下，Limerick大學(xué)和Galway國(guó)立大學(xué)開(kāi)展了熱塑性復(fù)合材料的先進(jìn)成型工藝的基礎(chǔ)研究。為了解決熱塑性復(fù)合材料葉片的纖維浸漬和大型熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中的樹(shù)脂流動(dòng)問(wèn)題，美國(guó)的Cyclics公司開(kāi)發(fā)出了一種低黏度的熱塑性工程塑料基體材料——CBT樹(shù)脂。這種像水一樣低黏度的熱塑性工程塑料CBT樹(shù)脂流動(dòng)性好，易于浸漬增強(qiáng)材料，賦予復(fù)合材料良好的韌性，同時(shí)可以充分發(fā)揮材料的性能，提高葉片的耐沖擊性能與抗振能力。

與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、抗沖擊性能好、生產(chǎn)周期短等一系列優(yōu)異性能。在相同的尺寸條件下，熱塑性復(fù)合材料由于密度低，葉片的質(zhì)量更輕，隨之帶來(lái)安裝塔座和發(fā)電機(jī)質(zhì)量的減小。但是，該類復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料成型工藝差異較大，制造成本較高，成為限制熱塑性復(fù)合材料用于風(fēng)機(jī)葉片的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2.葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展

風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是要通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)分析，充分利用復(fù)合材料的性能，使大型葉片以最小的質(zhì)量獲得最大的掃風(fēng)面積，從而使葉片具有更高的捕風(fēng)能力。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率的增大，風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量和費(fèi)用隨著其長(zhǎng)度的增加也迅速的增加。如何通過(guò)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和提高材料的性能來(lái)降低葉片的質(zhì)量便至關(guān)重要了。

在玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)型式中，葉片剖面及根端構(gòu)造的設(shè)計(jì)最為重要。選擇葉片剖面及根端構(gòu)造，要考慮玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)性能、材料性能及成型工藝。風(fēng)機(jī)葉片要承受較大的載荷，通常要考慮50～60m/s的極端風(fēng)載。為提高葉片的強(qiáng)度和剛度，防止局部失穩(wěn)，玻璃鋼葉片大都采用主梁加氣動(dòng)外殼的結(jié)構(gòu)型式。主梁承擔(dān)大部分彎曲載荷，而外殼除滿足氣動(dòng)性能外，也承擔(dān)部分彎曲載荷。主梁常用D形、O形、矩形和雙拼槽鋼等型式。

德國(guó)的Enercon公司對(duì)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)直徑由30m增加到33m時(shí)，由于葉片長(zhǎng)度的增加，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)掃風(fēng)面積增大，捕風(fēng)能力大約提高25%；同時(shí)，對(duì)33m葉片進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)精確的測(cè)定，葉片的實(shí)際氣動(dòng)效率為56%，比Betz計(jì)算的最大氣動(dòng)效率低約3%～4%。為此，該公司對(duì)大型葉片外形、型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn)：為抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對(duì)葉片根部進(jìn)行重新改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長(zhǎng)度；對(duì)葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開(kāi)發(fā)出了旋轉(zhuǎn)直徑為71m的2MW風(fēng)電機(jī)組，并且在4.5MW風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用上述技術(shù)，在旋轉(zhuǎn)直徑為112m的葉片端部仍安裝有傾斜“小翼”，使得旋轉(zhuǎn)直徑為112m的葉片的運(yùn)行噪音小于旋轉(zhuǎn)直徑為66m的葉片運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的噪音。

丹麥的LM公司在61.5m復(fù)合材料葉片樣機(jī)的設(shè)計(jì)中對(duì)其葉片根部固定方案進(jìn)行了改進(jìn)，尤其是固定螺栓與螺栓之間的周?chē)鷧^(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長(zhǎng)度可比改進(jìn)前大約增加20%。另外，LM公司的葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)也可以進(jìn)一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。日本機(jī)械技術(shù)研究所利用杠桿原理開(kāi)發(fā)的小型抗強(qiáng)風(fēng)柔性結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)代表了一種新的設(shè)計(jì)理念。其葉片半徑7.5m，采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造，塔高15m、重3.2t。風(fēng)電機(jī)組采用活絡(luò)式轉(zhuǎn)子，允許槳葉、輪轂搖動(dòng)，能緩和空氣動(dòng)力負(fù)荷反復(fù)變動(dòng)產(chǎn)生的沖擊與振動(dòng)，提高玻璃鋼葉片及輪轂的抗疲勞性能，從而延長(zhǎng)工作壽命。另外，由于采用軸與葉片柔性連接的新結(jié)構(gòu)，可使強(qiáng)風(fēng)時(shí)加到葉片上的力減少50%；而且隨著風(fēng)力增強(qiáng)，該葉片的角度會(huì)自動(dòng)變化，使風(fēng)在葉片后方自行消減，自動(dòng)維持80r/min的轉(zhuǎn)速，風(fēng)速為8～25m/s時(shí)可穩(wěn)定輸出15kW電力。

3.風(fēng)機(jī)葉片翼型的發(fā)展

風(fēng)機(jī)葉片翼型氣動(dòng)性能的好壞，直接決定了葉片風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的高低。低速風(fēng)機(jī)葉片采用薄而略凹的翼型；現(xiàn)代高速風(fēng)機(jī)葉片都采用流線型葉片，其翼型通常從NACA和Gottigen系列中選取，這些翼型的特點(diǎn)是阻力小、空氣動(dòng)力效率高，而且雷諾數(shù)也足夠大。早期的水平軸風(fēng)機(jī)葉片普遍采用航空翼型，例如NACA44××和NACA230××，因?yàn)樗鼈兙哂凶畲笊ο禂?shù)高、槳距動(dòng)量低和最小阻力系數(shù)低等特點(diǎn)。隨著風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們逐漸開(kāi)始認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的航空翼型并不適合設(shè)計(jì)高性能的葉片。美國(guó)、瑞典和丹麥等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都在發(fā)展各自的翼型系列，其中以瑞典的FFA－W系列翼型最具代表性。FFA－W系列翼型的優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)工況下具有較高的升力系數(shù)和升阻比，并且在非設(shè)計(jì)工況下具有良好的失速性能。

目前，世界上最大的風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)商——丹麥的LM公司已開(kāi)始在大型風(fēng)機(jī)葉片上采用FFA－W系列翼型。風(fēng)電機(jī)組專用翼型將在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)中起著越來(lái)越重要的作用，在葉片翼型的改進(jìn)上也還有很大的發(fā)展空間。同時(shí)，采用柔性葉片也是一個(gè)發(fā)展方向，利用新型材料進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，使其在風(fēng)況變化時(shí)能夠改變它們的空氣動(dòng)力型面，從而改變空氣動(dòng)力特性和葉片的受力狀況，增加葉片運(yùn)行的可靠性和對(duì)風(fēng)的捕獲能力。另外，在開(kāi)發(fā)新的空氣動(dòng)力裝置上也進(jìn)行了大量嘗試，如在風(fēng)機(jī)葉端加一小翼。由Aero Vironment公司提出的Aero Vironment型小翼被實(shí)際用于水平軸風(fēng)電機(jī)組，并成功地提高了風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。

在國(guó)內(nèi)，風(fēng)機(jī)翼型的研究工作仍停留在普通航空翼型階段，最有代表性的是NACA系列，對(duì)新翼型的研究很少。由于缺乏風(fēng)電機(jī)組專用新翼型的幾何參數(shù)和氣動(dòng)性能參數(shù)，直接影響了我國(guó)大型風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)水平。

4.風(fēng)機(jī)葉片成型工藝的發(fā)展

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷提高，安裝發(fā)電機(jī)的塔座和捕捉風(fēng)能的復(fù)合材料葉片做得越來(lái)越大。為了保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)和塔座安全，不僅要求葉片的質(zhì)量輕，還要求葉片的質(zhì)量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準(zhǔn)確、長(zhǎng)期使用性能可靠。若要滿足上述要求，需要有相應(yīng)的成型工藝來(lái)保證。傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片多采用手糊工藝制造。手糊工藝生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量均勻性不好、產(chǎn)品的動(dòng)靜平衡保證性差，廢品率較高。特別是對(duì)高性能的復(fù)雜氣動(dòng)外形和夾芯結(jié)構(gòu)葉片，還往往需要黏結(jié)等二次加工，生產(chǎn)工藝更加復(fù)雜和困難。由于手糊過(guò)程中含膠量不均勻、纖維/樹(shù)脂浸潤(rùn)不良及固化不完全等，常會(huì)引起風(fēng)機(jī)葉片在使用中出現(xiàn)裂紋、斷裂和變形等問(wèn)題。因此，目前國(guó)外的高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片往往采用RIM、RTM、纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝制造，其中RIM工藝投資較大，適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的大批量生產(chǎn)（＞50000片/年）；RTM工藝適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的中等批量的生產(chǎn)（5000～30000片/年）；纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝適宜大型風(fēng)機(jī)葉片批量生產(chǎn)。

RTM工藝的主要原理：在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)好的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低黏度注射樹(shù)脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封和緊固以及注射及排氣系統(tǒng)，以保證樹(shù)脂流動(dòng)順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤(rùn)纖維，并且模具有加熱系統(tǒng)，可進(jìn)行加熱固化成型復(fù)合材料構(gòu)件。由于RTM工藝具有葉片整體閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外形精度高、初期投資小、制品表面光潔度高、成型效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始成為風(fēng)機(jī)葉片的重要成型方法。

大型風(fēng)機(jī)葉片目前采用的工藝主要有兩種：開(kāi)模手工鋪層和閉模真空浸透。用預(yù)浸料開(kāi)模手工鋪層工藝是最簡(jiǎn)單、最原始的工藝，不需要昂貴的工裝設(shè)備，但效率比較低，質(zhì)量不夠穩(wěn)定，通常只用于生產(chǎn)葉片長(zhǎng)度比較短和批量比較小的情況；閉模真空浸透技術(shù)被認(rèn)為效率高、成本低、質(zhì)量好，因此為很多生產(chǎn)單位所采用。采用閉模真空浸透工藝制備風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，首先把增強(qiáng)材料鋪覆在涂覆硅膠的模具上，增強(qiáng)材料的外形和鋪層數(shù)，在先進(jìn)的現(xiàn)代化工廠，采用專用的鋪層機(jī)進(jìn)行鋪層，然后用真空輔助浸透技術(shù)輸入基體樹(shù)脂，真空可以保證樹(shù)脂能很好地充滿到增強(qiáng)材料和模具的每一個(gè)角落。真空輔助浸透技術(shù)制備風(fēng)機(jī)葉片的關(guān)鍵點(diǎn)有三個(gè)，即：①優(yōu)選浸透用的基體樹(shù)脂，特別要保證樹(shù)脂的最佳黏度及其流動(dòng)特殊性；②模具設(shè)計(jì)必須合理，特別對(duì)模具上樹(shù)脂注入孔的位置、流道分布更要注意，確保基體樹(shù)脂能均衡地充滿任何一處；③工藝參數(shù)要最佳化，真空輔助浸透技術(shù)的工藝參數(shù)要事先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，保證達(dá)到最佳化。固化后的葉片由自動(dòng)化操縱的設(shè)備運(yùn)送到下一道工序，進(jìn)行打磨和拋光等。由于模具上涂有硅膠，葉片不再需要油漆。此外還必須注意，在工藝制造過(guò)程中，盡可能減少?gòu)?fù)合材料的孔隙率，保證增強(qiáng)纖維在鋪放與成型過(guò)程中保持平直，是獲得良好力學(xué)性能的關(guān)鍵。

5.風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展前景

風(fēng)力發(fā)電具有資源再生、容量巨大、無(wú)污染、綜合治理成本低等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)電力的先進(jìn)生產(chǎn)力。而在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，最核心的部分是葉片。葉片成本約占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總成本的20%左右，其原材料國(guó)產(chǎn)化是降低風(fēng)機(jī)總造價(jià)的關(guān)鍵之一。在“863”計(jì)劃“兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片國(guó)產(chǎn)化”的支持下，葉片原材料國(guó)產(chǎn)化取得了重要進(jìn)展，目前國(guó)產(chǎn)葉片已通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)證。近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)風(fēng)機(jī)葉片供不應(yīng)求、利潤(rùn)空間大，這一行業(yè)擴(kuò)張迅速。在不少知名外資企業(yè)進(jìn)入我國(guó)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)葉片企業(yè)通過(guò)發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)也獲得了較快發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，成為我國(guó)風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)的穩(wěn)定配套商。但是，國(guó)內(nèi)部分大型葉片生產(chǎn)企業(yè)主要通過(guò)與國(guó)外企業(yè)簽署技術(shù)許可合同獲得相關(guān)制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片。特別是在兆瓦級(jí)復(fù)合材料葉片生產(chǎn)方面，這些企業(yè)所用設(shè)備和原材料絕大部分從國(guó)外進(jìn)口，采用的生產(chǎn)技術(shù)也來(lái)自國(guó)外，使得兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的成本居高不下，從而嚴(yán)重阻礙了我國(guó)風(fēng)電相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

目前，國(guó)外風(fēng)機(jī)葉片大量采用復(fù)合材料制造，并向大型化、低成本、高性能、輕量化、多翼型、柔性化方向發(fā)展。而國(guó)內(nèi)的風(fēng)機(jī)葉片尚處于起步階段，離高性能葉片的要求還相距甚遠(yuǎn)。因此，大力增加風(fēng)電技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的投入，大力培養(yǎng)風(fēng)電人才，突破風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)的瓶頸限制，大力開(kāi)發(fā)風(fēng)電能源，對(duì)于緩解我國(guó)將來(lái)的能源危機(jī)，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1.3.2　機(jī)艙/輪轂

機(jī)艙/輪轂是風(fēng)力發(fā)電的核心部分，主要由輪轂、轉(zhuǎn)子、風(fēng)速計(jì)、控制器、發(fā)電機(jī)、變速器等部分組成，如圖1－3所示。轉(zhuǎn)子連接發(fā)電機(jī)艙和葉片，是為了提高風(fēng)能的利用效率，在低風(fēng)速的時(shí)候能夠利用更多的風(fēng)力資源，在風(fēng)速過(guò)高的時(shí)候起到保護(hù)作用。風(fēng)速計(jì)的作用是測(cè)量風(fēng)的方向和強(qiáng)度，并且迅速地將這些信息傳達(dá)到中心控制電腦，以便調(diào)節(jié)各個(gè)葉片角度和發(fā)電機(jī)艙的方向，更有效地利用風(fēng)能?？刂破魇怯呻娔X操作控制整個(gè)風(fēng)電機(jī)組，在無(wú)人的情況下完成海上風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)作。目前，我國(guó)風(fēng)機(jī)自主化程度不高，大功率的風(fēng)機(jī)基本上靠進(jìn)口，而歐洲一些傳統(tǒng)的風(fēng)電強(qiáng)國(guó)在大功率海上風(fēng)機(jī)的研究開(kāi)發(fā)上已領(lǐng)先一步，德國(guó)已生產(chǎn)出海洋專用的定型產(chǎn)品E112（4500kW）、M5000（5000kW）等，目前世界上已安裝的海上風(fēng)電機(jī)組的功率一般都在2～3MW，而一些示范性的海上風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始采用5MW的大功率風(fēng)機(jī)。

1.3.3　塔架

國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400—2009《海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求》，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)以下的整個(gè)結(jié)構(gòu)部分定義為支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)包括塔架、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)。與海床直接接觸的部分定義為基礎(chǔ)，位于水面以上的通道平臺(tái)作為塔架和下部結(jié)構(gòu)的分界線。

塔架是風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，支撐位于空中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，塔架與基礎(chǔ)相連接，承受風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行引起的各種載荷，同時(shí)傳遞這些載荷到基礎(chǔ)，使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。塔架是海上風(fēng)電場(chǎng)的重要組成部分，塔架的基本型式主要有單管式、桁架式、管塔式等。目前廣泛采用的是管塔式塔架，又稱為塔筒。

塔筒一般由空心的管狀鋼材制成，設(shè)計(jì)主要考慮在各種風(fēng)況下的剛性和穩(wěn)性，根據(jù)安裝地點(diǎn)的風(fēng)況、水況和風(fēng)輪半徑條件決定塔身的高度，使風(fēng)機(jī)葉片處于風(fēng)力資源最豐富的高度。

1.3.4　基礎(chǔ)

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)按型式分為固定式和浮式兩大類，兩類基礎(chǔ)適應(yīng)于不同的水深，固定式一般應(yīng)用于淺海，適應(yīng)水深在0～80m，目前應(yīng)用較為廣泛，浮式基礎(chǔ)能夠適應(yīng)40～900m的水深，但目前仍處于研究階段，尚未達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用階段。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)包括單樁鋼管基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、筒形基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)等。

（1）單樁鋼管基礎(chǔ)。單樁鋼管基礎(chǔ)是用液壓撞錘將一根鋼管夯入海床或者鉆孔安裝在海床形成的基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)直徑為3～6m、壁厚約為直徑的1%，插入海床的深度與土壤的強(qiáng)度有關(guān)，靠樁側(cè)土壓力傳遞風(fēng)機(jī)荷載，主要適用于淺水及20～25m的中等水域、土質(zhì)條件較好的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。這種基礎(chǔ)目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)，成為歐洲安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)的“半標(biāo)準(zhǔn)”方法。單樁鋼管基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需海床準(zhǔn)備、安裝簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是移動(dòng)困難，并且由于直徑較大需要特殊的打樁船進(jìn)行海上作業(yè)，如果安裝地點(diǎn)的海床是巖石，還要增加鉆洞的費(fèi)用。

（2）重力式基礎(chǔ)。重力式基礎(chǔ)是最早應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)型式，靠其自身巨大的重量固定風(fēng)機(jī)，有混凝土重力式基礎(chǔ)和鋼沉箱基礎(chǔ)兩種型式。適用于水深小于10m的任何地質(zhì)條件海床，在大于10m水深時(shí)為保證足夠重量抵抗環(huán)境荷載，其尺寸和造價(jià)隨水深的增加而迅速增大。這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、受海床砂礫影響不大，抗風(fēng)暴和風(fēng)浪襲擊性能好，其穩(wěn)定性和可靠性是所有基礎(chǔ)中最好的。其缺點(diǎn)在于：需要預(yù)先進(jìn)行海床準(zhǔn)備，海上施工周期較長(zhǎng)；由于其體積大、重量大，安裝起來(lái)不方便且運(yùn)輸費(fèi)用較高；適用水深范圍太過(guò)狹窄，隨著水深的增加，其經(jīng)濟(jì)性不僅得不到體現(xiàn)，造價(jià)反而高于其他類型基礎(chǔ)。

（3）筒形基礎(chǔ)。筒形基礎(chǔ)也稱為吸力式基礎(chǔ)，是一種新型的海洋工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，有多筒基礎(chǔ)和單筒基礎(chǔ)兩種。由于其材料安裝成本低于樁基礎(chǔ)，易于海上安裝運(yùn)輸而受到海洋工程和海上風(fēng)電行業(yè)的青睞。其原理是將陸上制作好的鋼筒漂浮拖航至風(fēng)電場(chǎng)，就位后抽出筒體中的氣體和水，利用筒體內(nèi)外壓力差將筒體插入海床一定深度。圖1－4和圖1－5分別為多筒基礎(chǔ)、單筒基礎(chǔ)的安裝過(guò)程示意圖。筒形基礎(chǔ)適用于地質(zhì)條件為砂性土或軟黏土的各種水深條件風(fēng)場(chǎng)。其優(yōu)點(diǎn)在于：節(jié)省鋼用量，減少制造費(fèi)用；采用負(fù)壓施工海上安裝速度快，便于在海上惡劣天氣的間隙施工；便于運(yùn)輸和安裝；吸力式基礎(chǔ)插入深度淺，只須對(duì)海床淺部地質(zhì)條件進(jìn)行勘察，而在風(fēng)電場(chǎng)壽命終止時(shí)，可以簡(jiǎn)單方便地拔出，進(jìn)行二次利用。其缺點(diǎn)在于：安裝過(guò)程中由于負(fù)壓筒內(nèi)土體會(huì)形成土塞；在下沉過(guò)程中容易產(chǎn)生傾斜，需頻繁矯正。筒形基礎(chǔ)在海洋工程和海上風(fēng)電場(chǎng)工程的應(yīng)用案例還較少，國(guó)外的有丹麥的Frederikshaven風(fēng)電場(chǎng)，另外2010年6月29日國(guó)內(nèi)道達(dá)海上風(fēng)電研究院采用復(fù)合筒形基礎(chǔ)作為海上測(cè)風(fēng)塔的基礎(chǔ)，成功進(jìn)行了整體海上安裝作業(yè)，香港東南水域風(fēng)電場(chǎng)也計(jì)劃采用三筒基礎(chǔ)型式。綜合來(lái)看，筒形基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)應(yīng)用前景較為廣闊，但是可靠性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

（4）多樁基礎(chǔ)。多樁基礎(chǔ)的概念源于海上油氣開(kāi)發(fā)，基礎(chǔ)由多個(gè)樁基打入地基土內(nèi)，樁基可以打成傾斜或者豎直，用以抵抗波浪、水流力，中間以灌漿或成型方式（上部承臺(tái)/三腳架/四腳架/導(dǎo)管架）連接塔架，適用于中等水深到深水區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)。多樁基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)的具體選擇根據(jù)水深、環(huán)境荷載和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力特性確定。其優(yōu)點(diǎn)在于：適用于各種地質(zhì)條件、水深；重量較輕；建造和施工方便；無(wú)需做任何海床準(zhǔn)備。其缺點(diǎn)在于：建造成本高；安裝需要專用設(shè)備；施工安裝費(fèi)用較高；達(dá)到工作年限后很難移動(dòng)。在2007年建設(shè)投產(chǎn)的英國(guó)Beat rice示范海上風(fēng)電場(chǎng)中，兩臺(tái)5MW的風(fēng)電機(jī)組均采用四樁靴式導(dǎo)管架作為基礎(chǔ)，作業(yè)水深達(dá)45m，是目前海上風(fēng)電機(jī)組固定式基礎(chǔ)中水深最大的；我國(guó)上海東大橋海上風(fēng)電場(chǎng)采用的是多樁混凝土承臺(tái)型式。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)向深水區(qū)域的不斷推進(jìn)，此類基礎(chǔ)在今后會(huì)有更廣闊的前景。

（5）浮式基礎(chǔ)。浮式基礎(chǔ)不固定在海床上而是直接漂浮在海中，通過(guò)纜繩—基礎(chǔ)（筒形基礎(chǔ)/魚(yú)雷錨/平板錨等）系統(tǒng)固定在一定的位置，常見(jiàn)的為柱形浮筒式、張力腿式（TLP）和半潛式，如圖1－6所示。它適合在海底基礎(chǔ)難以作業(yè)的深海應(yīng)用，目前對(duì)其研究尚處于初步階段。其優(yōu)點(diǎn)在于建設(shè)及安裝方法靈活，可移動(dòng)、易拆除。其缺點(diǎn)在于這種基礎(chǔ)不穩(wěn)定，只適合風(fēng)浪小的海域，另外齒輪箱及發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械長(zhǎng)期處于巨大的加速度力量下，潛在地增加安裝失敗的危險(xiǎn)及降低預(yù)期使用壽命。荷蘭的Blue H Technologies公司用離岸油井的技術(shù)開(kāi)發(fā)出世界第一座浮式風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)用于意大利南部Puglia外海的風(fēng)電場(chǎng)。世界上第二臺(tái)浮式基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組在2009年挪威Karmoy海域安裝完成，命名為Hywind，如圖1－7所示。該項(xiàng)目是由挪威、丹麥、德國(guó)、英國(guó)和荷蘭等多國(guó)參與的國(guó)際合作項(xiàng)目，容量2.3MW，水下浮標(biāo)長(zhǎng)約100m，葉片直徑82m，輪轂高度65m，通過(guò)3根錨索固定在海面下大約220m深處。Hywind風(fēng)電機(jī)組將試運(yùn)行兩年并進(jìn)行測(cè)試和研究，其關(guān)鍵技術(shù)在于：盡可能地令其“苗條”，以在海上保持相對(duì)平穩(wěn)；具備足夠強(qiáng)度，能經(jīng)受住海上相當(dāng)惡劣的天氣；使發(fā)電機(jī)機(jī)箱下移，降低風(fēng)機(jī)重心。綜合來(lái)看，浮式基礎(chǔ)真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

1.3.5　海底電纜及電力傳輸設(shè)備

海上風(fēng)電場(chǎng)除了風(fēng)電機(jī)組設(shè)施之外，還有如海底電纜、變壓器和傳輸器等一些附屬設(shè)施。按功能主要分為收集裝置和傳輸裝置兩個(gè)方面。收集裝置將各個(gè)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)變壓器升高電壓，然后通過(guò)電纜等傳輸裝置將電輸送出去。