全球首个10MW级X型海上漂浮风电项目将问世

法国海洋可再生能源结构工程商Ceteal公司日前表示，其在海上风电领域新推出的X形混凝土浮动基础平台与其他厂商的其他设计相比具有显著的制造和运营优势。

该公司研发总监Pascal Heisel表示，开发的X形半潜式混凝土平台XCF是一种简单、灵活且具有成本竞争力的浮动式海上风能解决方案。无论海浪的涌动方向如何，其对称设计可确保平台的稳定和平衡。

简单的解决方案

其平台由X形浮筒末端的四个圆柱形浮子组成，其中心浮子平台用于承载风力发电涡轮机，并采用轻钢结构提供水平支撑。Heisel说，该公司从一开始就设计用于10MW及以上的风力涡轮机，其重点是易于大规模生产，并将整体尺寸保持在最低水平。

Ceteal公司通过与法国开发商Nass＆Wind公司的合作开发并获得技术专利。Ceteal公司专门设计开发海上风能和潮汐能的基础平台，法国开发商Nass＆Wind公司与DCNS（现为Naval Energies）公司合作开发WinFlo浮动基础项目。Heisel解释说，两家公司在2015年开始研究如何为6MW以上的风力涡轮机设计更高效的浮动平台。

Ceteal公司将会借鉴其姊妹公司Mareal公司的知识和经验。而Mareal公司在石油和天然气行业的海上设计方面拥有超过15年的经验，其目的是提出一种尽可能简单的解决方案，因此不会轻易导致项目失败。Heise表示，他们使用电子表格来创建设计，应用计算来检查概念，而不是首先付诸实践。“解决问题的最好办法就是做好规划和准备。”他说。

Ceteal公司还通过分离出四个主要功能简化了设计过程：垂直载荷、倾覆力矩、水平位移、动力学特性。

该公司最初的决定是构建钢筋混凝土平台还是钢质平台。Heisel表示，混凝土具有很好的特性，因为其材料不易疲劳和腐蚀，使用寿命更长，成本更低，并且更多地利用当地供应链。

钢筋混凝土圆形部件念依赖于其形状阻力可以提供更高的强度，并有助于确保耐波性。这也意味着当海水冲刷其结构顶部时，不会受到波浪撞击或水力负荷的影响。其浮筒由内部矩形框架组成，该框架具有抵抗倾覆力矩，由圆柱形外壳保护以抵抗海浪的压力。

初步研究表明，平台采用三个漂浮物不足以支撑大型涡轮机，因此Ceteal公司采用四个漂浮物。这具有提供两个对称轴设计的附加优点，使得无论海浪涌动的方向如何，其平台将保持稳定平衡。这意味着XCF平台可以在恶劣的多向环境中应用，例如在旋风区域中的环境。四个浮子在某个浮子损坏的情况下也将提供更多冗余。

XCF平台也可以采用六个甚至八个浮筒和浮子。 “由于12MW风力涡轮机最近刚刚推出，我们还不知道它们的所有特性。”Heisel说，“而根据港口设施和现场条件，采用六个漂浮物可能更加经济可行。”

设计灵活

该设计在许多其他方面也很灵活。例如，有多种方法可以将风力涡轮机塔架固定到中央浮子上，虽然它是为简单且经过充分验证的悬链系泊设计的，但该平台可以适用于张力腿系统。

Heisel说，XCF平台也可以采用钢材制造，虽然这不会那么有效。钢材与混凝土相比质量更轻。这意味着重量和浮力之间的比例有所不同的，需要不同的尺寸，并且提供不同的经济可行性。

该平台适用于不同尺寸的涡轮机，并将成为系列产品。风力涡轮机的部署也取决于基础平台，其中一些容忍倾斜度低于其他基础平台。“对风力涡轮机和平台进行耦合设计非常重要。”Heisel指出。这不仅对于浮子式联轴器很重要，而且对于港口设施也很重要。更高、更重的涡轮机需要更大的浮子尺寸，从而影响港口所需的空间和最小水深。

Heisel表示，在尺寸方面，浮动平台是一个正方形，平台每边长度大约是涡轮机高度的一半。相比之下，对于不太紧凑的设计，每侧长度大约为涡轮机高度的三分之二。对于120米高的涡轮机，该平台的尺寸约为60×60米。然而，模块化结构和X形结构允许更有效地使用承载空间。

大量生产

Heisel说，Ceteal公司从最早的阶段开始考虑施工，选择适合大规模生产的模块化概念。其目标是能够在两年的时间内构建和安装60个浮动平台。

这些平台模块可以使用能够提升至400吨的小型起重机在码头组装，然后在安装风力涡轮机之前将平台移到自升式船或半潜式平台上，虽然这也有一定的灵活性，港口的水深通常为8-9米，但其设计可以在一定程度上适应较浅的水域。

一旦开始安装，浮动平台和风力涡轮机可以使用两条或三条拖船牵引到海上安装现场，总重量为200-300吨。 Heisel表示，圆形平台具有较低的阻力意味着可以使用价格更低、功能更少，并且通用的拖船。他补充说，较低的阻力也将有助于其适合在海流强劲的地区部署，例如亚洲部分地区。

降低成本

根据当地原材料的供应和价格、当地劳动力成本和港口设施，这个结构将花费大约5-6百万欧元的费用。优化混凝土设计允许团队以多种方式降低成本。

Heisel说，混凝土不需要预应力来增加弹性，这是XC F平台独有的特性。而且由于它不需要应对预应力，它可以由成本更低和更容易获得的混凝土制成。

同样，混凝土也需要较低的钢筋比例。Heisel估计，根据涡轮机的不同，XCF平台需要每立方米混凝土约采用150-200千克钢材，可能是竞争对手可能使用的一半。

节省运营成本

Heisel承认，XCF平台的资本支出成本可能更高一些，因为它部署了大量的监控设备。然而他认为，在XCF平台的全生命周期中可以节约更多的成本，其总价是由资本性支出和运营成本以及退役成本组成的。

同样，运营维护从一开始就构成了XCF平台设计过程的重要部分。而采用大量的摄像头和传感器都可以访问并更换，使得维护团队能够全天候查看正在发生的事情，并监控平台的情况。如果出现问题，他们可以远程分析，并在基地设计解决方案，然后再派遣人员进行维修。Heisel指出，这节省了大量的时间和费用。也可以连续监控其系泊线，因此维护团队可以检测任何污垢，并泵出压载水以补偿额外的重量。

如果发生事故，例如船舶与平台发生碰撞，工程师可以远程分析平台损坏的严重程度，并稳定平台以恢复功能，而无需先派出船只或直升机。

Heisel指出，此外，如果维修人员遇到恶劣天气，他们可以安全地从平台通过混凝土浮桥内的通道进入涡轮机躲避。

接下来是什么？

XCF平台已完成第一阶段的浮筒测试，用于校准和微调流体动力学系数，并正在进行认证过程。与此同时，Ceteal公司及其合作伙伴正在进一步优化设计，旨在减小浮筒的尺寸，并改进可以承载12MW涡轮机的设计Ceteal公司。现在正在寻找投资者和工业合作伙伴，以建立一个规模更大的平台。

Ceteal公司希望将其平台将其添加到大型商业项目中，其中开发人员选择了能够制造大型混凝土结构的港口。Heisel指出，作为一个额外的好处，比较风力涡轮机在XCF浮动平台和固定底部重力基础上的输出和行为也是有趣的。

与此同时，他们回复了两项有兴趣装备500MW项目的请求，一项在亚洲，另一项在法国。

如今，还有许多浮动平台已经投入使用或接近部署。Hywind公司2009年部署了spar buoy浮动平台，可以承载2.3MW西门子涡轮机。当Equinor公司委托Hywind公司部署五个风力涡轮机30MW 的Hywind Scotland项目时，其技术改进迈出了重要一步。

它仍然是世界上唯一的商业性浮动平台，Equinor公司正在寻求其他技术途径，特别是支持北海地区的石油和天然气开采。

Principle Power公司的钢制半潜式设计被称为WindFloat，于2016年成功完成了一个为期五年的示范阶段，其中2MW涡轮机位于葡萄牙海岸附近。随后是规模更大的WindFloat Atlantic项目，该项目将采用8.4MW的MHI Vestas V164涡轮机，这是迄今为止安装在浮式地基上的最大的涡轮机，预计于2019年投入使用。

WindFloat Atlantic项目将在距离葡萄牙西北海岸约20公里的水深约100米处部署运营。与采用标准33kV电缆的Hywind Scotland不同，它将提供66kV阵列和输出动态电缆。

Windfloat设计也被选用于法国水域的三个风力涡轮机的24MW Golfe du Lion项目，而Principle Power公司还在美国加利福尼亚海岸开发100-150MW浮动平台项目。

Ideol公司试验性Floatgen混凝土平台采用其创新的“阻尼池”技术，配备2MW的Vestas风力涡轮机，并于今年4月在法国工厂安装。最近在日本北九州附近安装了钢质浮动平台，支持双叶片3MW Aerodyn风力涡轮机。Ideol公司还将为地中海Le Gruissan的EolMed 24.8MW项目提供了四个漂浮物。

此外，西门子公司前首席技术官Henrik Stiesdal设计的TetraSpar浮动基础平台虽然并不先进，但吸引了业界的兴趣。丹麦基金管理公司Copenhagen Infrastructure Partners已与海外开发商Magellan Wind成立合资公司，为美国市场开发张力腿浮动平台。