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共結(jié)構(gòu)融合指的是通過固定式或漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與海洋牧場(chǎng)裝備進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，即在固定式或漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮加裝養(yǎng)殖裝備(主要是網(wǎng)衣)所增加的工作載荷，以形成新型的海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)一體化裝備。

目前，固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要分為單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)及吸力桶基礎(chǔ)，根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不同可以形成不同的共結(jié)構(gòu)融合方案。對(duì)于導(dǎo)管架基礎(chǔ)，可在導(dǎo)管架平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)圍上網(wǎng)衣，形成封閉的養(yǎng)殖空間，具體圖1所示;對(duì)于單樁基礎(chǔ)或吸力桶基礎(chǔ)，可以在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍附加養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)形成養(yǎng)殖空間。海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)融合結(jié)構(gòu)是一種結(jié)合兩種不同功能的復(fù)雜海洋工程結(jié)構(gòu)，截至目前對(duì)于淺近海固定式風(fēng)力機(jī)與海洋牧場(chǎng)共結(jié)構(gòu)融合應(yīng)用仍處于試驗(yàn)示范階段。

圖1導(dǎo)管架基礎(chǔ)共結(jié)構(gòu)融合概念

江俊杰提出在導(dǎo)管架平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)上加裝養(yǎng)殖網(wǎng)衣進(jìn)行養(yǎng)殖，并對(duì)融合養(yǎng)殖網(wǎng)衣后的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了規(guī)律性分析。張?zhí)煲砭C合海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)設(shè)計(jì)理念，提出一型固定式單樁海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)融合鋼結(jié)構(gòu)海洋牧場(chǎng)的新型海上風(fēng)漁融合結(jié)構(gòu)，并對(duì)此概念進(jìn)行了耦合動(dòng)力響應(yīng)分析與振動(dòng)控制策略研究。

“明漁一號(hào)”是固定式基礎(chǔ)共結(jié)構(gòu)融合方案的典型代表，“明漁一號(hào)”采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)衣共結(jié)構(gòu)融合方案設(shè)計(jì)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)底部跟開30m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)連距離69km，作業(yè)水深45～48m，海洋牧場(chǎng)養(yǎng)殖水體約5000m³，網(wǎng)衣采用分片式布置方案，防止網(wǎng)衣與導(dǎo)管架基礎(chǔ)發(fā)生摩擦，分片式網(wǎng)衣通過網(wǎng)衣工裝與導(dǎo)管架連接，具體網(wǎng)衣布置方案如圖2所示。

“明漁一號(hào)”首批投放10000尾金鯧魚，養(yǎng)殖密為10～15kg/m³。據(jù)了解，“明漁一號(hào)”導(dǎo)管架+網(wǎng)衣共結(jié)構(gòu)融合方案可顯著降低資源開發(fā)成本，具有較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，提高海上風(fēng)電場(chǎng)整體收益率約1.5%。

目前，漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要分為單柱式基礎(chǔ)、半潛式基礎(chǔ)及張力腿式基礎(chǔ)，根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不同可以形成不同的共結(jié)構(gòu)融合方案。由于半潛式基礎(chǔ)下部的空間較大，可為海水養(yǎng)殖提供空間，形成“上部發(fā)電、下部養(yǎng)魚”的共結(jié)構(gòu)融合模式，所以目前漂浮式基礎(chǔ)共結(jié)構(gòu)融合方案大都采用半潛式基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱融合方案。對(duì)于半潛式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，可根據(jù)浮式基礎(chǔ)下部的空間型式設(shè)計(jì)風(fēng)漁結(jié)合一體化綜合支撐平臺(tái)，形成結(jié)構(gòu)共融，融合型式如圖3所示。

圖3“國(guó)能共享號(hào)”概念圖

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于漂浮式風(fēng)漁融合一體化裝備的研究仍處于起步階段。Zheng和Lei提出了一型融合半潛式基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱的風(fēng)漁融合一體化平臺(tái)FOWT-SFFC，見圖4(a)，并將FOWT-SFFC平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)特性與OC3-Hywind及OC4-DeepCwind漂浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明新型風(fēng)漁融合一體化平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)特性在極端工況時(shí)較其他兩型漂浮式風(fēng)力機(jī)更優(yōu)。

Chu等提出了一型融合單柱式基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱的風(fēng)漁融合一體化平臺(tái)COSPAR，見圖4(b)，并對(duì)COSPAR平臺(tái)進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析，對(duì)比了有無風(fēng)機(jī)下單柱式養(yǎng)殖平臺(tái)的響應(yīng)，結(jié)果表明COSPAR平臺(tái)在垂蕩及縱搖方向的響應(yīng)小于無風(fēng)機(jī)下的漂浮式養(yǎng)殖平臺(tái)。

鐘豪提出了一型八邊形半潛式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱融合的風(fēng)電漁場(chǎng)綜合平臺(tái)，見圖4(c)，并對(duì)選取不同的環(huán)境情況對(duì)風(fēng)電漁場(chǎng)綜合平臺(tái)進(jìn)行頻域和時(shí)域響應(yīng)分析。

Zheng提出了一型融合半潛式垂直軸風(fēng)機(jī)、海洋牧場(chǎng)及光伏發(fā)電的漂浮式多功能綜合平臺(tái)WSA，見圖4(d)，并通過數(shù)值模擬及水池模型試驗(yàn)分析了漂浮式多功能綜合平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)特性，證明了概念的可行性。

Li等提出了一型融合半潛式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、波浪能發(fā)電裝置及海洋牧場(chǎng)的漂浮式多功能綜合平臺(tái)BlueGrowthFarm，見圖4(e)，并對(duì)BlueGrowthFarm在典型環(huán)境下的水動(dòng)力性能進(jìn)行了分析，得到了多功能綜合平臺(tái)的耦合動(dòng)力響應(yīng)特性。

圖4漂浮式基礎(chǔ)共結(jié)構(gòu)融合方案

“國(guó)能共享號(hào)”是漂浮式基礎(chǔ)共結(jié)構(gòu)融合方案的典型代表，也是全球首個(gè)漂浮式風(fēng)漁融合項(xiàng)目，“國(guó)能共享號(hào)”采用三立柱半潛式基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱共結(jié)構(gòu)融合方案設(shè)計(jì)，由浮式基礎(chǔ)、4MW海上風(fēng)力機(jī)、養(yǎng)殖網(wǎng)箱及系泊系統(tǒng)組成，平臺(tái)立柱高28m，立柱間長(zhǎng)70m，設(shè)計(jì)吃水14m，總重量4900t，養(yǎng)殖水體容積約10000m³。

共結(jié)構(gòu)融合方案的優(yōu)勢(shì)是可以充分利用海上風(fēng)電支撐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，將海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)深度融合，形成多功能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)真正的功能融合，結(jié)構(gòu)緊湊，降本增效顯著，是未來深遠(yuǎn)海資源和能源綜合開發(fā)的重要方向。但是，目前共結(jié)構(gòu)融合方案還有許多關(guān)鍵問題亟需解決，如新型融合裝備的防腐要求提高、網(wǎng)衣帶來的水動(dòng)力載荷影響、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)衣間的相互作用機(jī)制不明等等，短期技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本較高。

來源 | 本文節(jié)選自《海上風(fēng)電與海洋牧場(chǎng)融合發(fā)展趨勢(shì)及技術(shù)挑戰(zhàn)》原刊于《南方能源建設(shè)》

作者 | 陽杰 張建華 等