引言海洋绿色能源包括波浪能和潮流能等。潮汐能和潮流能由引潮力所产生。海洋绿色能源还包括海上的太阳能、风能等能源。风能是成熟的可再生能源技术之一，在2020年为全球贡献了743 GW的电力，占可再生能源市场的26%[1]。将风能行业扩展到海上地区的潜力巨大，更强和更稳定的风力有利于安装尺寸更大的风力涡轮机。太阳能是太阳中氢原子核发生超高温聚变时释放的巨大能量，绝大部分能量直接或间接地来自太阳。有研究提出，在海上平台联合利用风能和太阳能光伏进行发电[2]。海上风电机可以安装在沿海水域的底部，也可以固定在海底的浮动子结构上，通过风力涡轮机将风力转化为电力。约80%的海上风能资源集中在60 m以下的水域，安装传统的固定底支撑的经济性不佳，适合部署浮动基础。目前，浮动支撑结构的成本比固定底部系统更高，但有许多潜在的优点，包括深水地区的风速更高、更稳定、对视觉和环境的影响更少，更容易组装和安装等[3]。文中设计一个海上风电相结合的浮动发电平台，设计最大水深为100 m，最大波高为9 m；响应周期为12 s，可以在50年一遇海况的情况下，满足10 MW的风力发电总功率和2 MW光伏发电总功率要求。对平台的稳定性进行计算，并估算造价，提出一种新的利用海上风能和太阳能的形式。1海上平台风光发电系统设计1.1海上平台风电、光电系统主要由风机机舱、塔筒、海上平台、锚泊系统、光伏板组成。海上平台为风力发电机、光伏板、控制平台等设备的正常运行提供支撑，其稳定性需要满足设计要求。海上平台结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.013.F001图1海上平台结构设计水深大于50 m时，浮式基础的经济性优于固定式基础[4]，因此平台采用半潜式结构。为了满足能源输出条件，支撑平台尺寸为120 m×120 m，平台总高度为36.7 m。半潜式平台的主要设计参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.013.T001表1半潜式平台的主要设计参数项目数值项目数值水深/m100斜撑直径/m1.2平台吃水/m34.63横撑直径/m1.5平台高度/m36.7浮筒中心距/m96底部浮舱端部圆直径/m6平台横摇转动惯量/(kg·m)5.843×1010底部浮舱高度/m5平台纵摇转动惯量/(kg·m)5.843×1010底部浮舱长度/m126平台艏摇转动惯量/(kg·m)7.795×1010底部浮舱宽度/m6平台质量/t24 416正常工作时，需要在浮筒或浮舱中加入一定量的压舱水进行压舱工作，使平台达到预定水位。压舱完毕的平台及其系泊系统的重力与浮力达到相对平衡。1.2风机机舱及塔筒风机机舱和塔架是将风能转化为电能的装置，采用西门子歌美飒10 MW海上风机SG 10.0-193DD。10 MW海上风机的部分设计参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.013.T002表210 MW海上风机的部分设计参数项目设计参数机型三叶片迎风式传动系统高速多级变速箱轮毂高度/m90转子直径/m126轮毂直径/m3叶尖速率/(m/s)80叶片半径/m94塔筒高度/m118塔筒质量/t1 126.10塔筒底端直径/m8塔筒顶端直径/m6塔筒底端厚度/m0.064塔筒顶端厚度/m0.052整体质量/t2 112.71机舱/转子质量/t240/1101.3光伏板海上光伏具有无碳排放、占地面积少、易与其他产业相结合等特点[5]。发电系统采用ZUIDID隆基光伏板，为300 W单晶。300 W光伏板的主要设计参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.013.T003表3300 W光伏板的主要设计参数项目数值支撑桁架重度/(kg/m2)30光伏板重度/(kg/m2)45平均总重度/(kg/m2)75光伏板尺寸/(mm×mm×mm)1 705×880×35平均功率/(W/m2)200光伏板总面积/m210 800总额定功率/WM2.16摆放夹角/(°)15总质量/t810质心位置/m（0，0，0.34）1.4结构特点系统能够结合风力发电与太阳能发电，实现海上单个结构的多种能源高效率收集。设计方案结构简单，便于制造，尺寸结构能够适应当今船舶的运输与搭建，确定不同建设地区的具体环境时，可以根据尺寸进行调整，具有广泛的适用性。系统对建造材料的要求较低，便于采购，总造价相对较低。本设计以海上结构的经济性为主要目标，忽略了海上建筑在极端条件下的结构抗力，因此需要增大对风险性的考量。2荷载计算2.1空气动力荷载计算2.1.1确定风速变化纬度、地表特性不同使得地球大气层内部气温存在较大差异，引起各地气压变化，导致空气由气压高的地方流动到气压低的地方，形成风[6]。空气流动的过程中，结构物的阻碍作用使结构承受风产生反作用力，该作用力是风对此结构的风荷载作用。空气流动受海平面粗糙度的影响，随着垂直方向的高度变化，平均风速也会改变。u˙(z)=u˙r(z/zr)α (1)式中：z——海平面以上的高度；u˙(z)——高度z处的平均风速；zr——参考高度，通常取海平面以上10 m；u˙r——位于参考高度的平均风速；α——风剖面指数，与海面粗糙度成正相关，针对有波浪时的开敞海域取0.12。2.1.2风荷载计算风荷载是海洋工程结构物设计的重要控制荷载，对结构物进行抗风设计是结构安全的重要保证。在ABS规范下，风荷载F为：F=0.613ChCsAwvt2 (2)式中：Ch——气压高度的变化系数；Cs——风负荷的形状系数，对于风机塔筒、风机叶片、海上平台和光伏板，形状系数分别取0.5、0.7、1.3和1.0；Aw——建筑物的逆风投影面积（迎风面积）；vt——给定时间t内的设计风速。由极端条件假定，在10 m高度处测得处于热带风暴范围的平均风速为24 m/s。计算塔筒、风机叶片、海上平台、光伏板的风荷载各项参数如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.013.T004表4塔筒、风机叶片、海上平台、光伏板的风荷载各项参数项目高度范围/m逆风投影面积/m2风荷载/kN单位面积风荷载/(kN/m2)塔筒1.5~95.51 390.15148 692106.96风机叶片19.0~212.0752.2196 735128.60海上平台0~1.814 400.00365 24125.36光伏板1.8~2.19 686.30215 84722.28塔筒、风机叶片、海上平台和光伏板总的风荷载分别为148 692 kN、96 735 kN、365 241 kN和215 847 kN。相对海平面的高度越高，单位面积风荷载的作用越强。2.2波浪荷载计算理论由于风、引潮力、气压以及海底火山喷发、海底地震等多种自然因素的影响，海洋中的水体波动形成了波浪。波浪荷载是波浪对海洋中的结构物所产生的作用，由波浪水质点与结构间的相对运动引起。2.2.1波浪理论在该海域内，最大水深为100 m。假设在50年一遇的情况下，最大波高H为9 m，且相应周期T为12 s。水深d=100 m，最大波高H=9 m，则有d/T2=2.28、H/T2=0.20。根据各种波动理论的适用范围[7]，运用斯托克斯波浪理论对该平台所受波浪荷载进行粗略计算，直接使用色散方程。ω2=gktanh(kd) (3)式中：ω——角速度；g——重力加速度；k——波数。由于ω=2π/T，将已知参数代入求解，得到波数为0.028 148；该波浪的波长为L=2π/k=223.20 m；波浪的波速为umax。2.2.2波浪荷载计算对侧向柱进行分析，其边长为4 m，柱高度为30 m，则D≪L，流体场不会被结构影响。利用莫里森公式计算单位长度的小尺度构件的波载。dF=dF1+dFD=ρπD24CMu˙-CAx¨dz+12ρCDD|u-x˙|(u-x˙)dz (4)式中：dF1——小尺度构件单位长度的惯性力；dFD——小尺度构件的单位长度阻力；ρ——海水密度；D——直径；CM——惯性系数；CA——附加质量系数；CD——牵引系数；u——垂直于分量轴的水珠速度分量；u˙——垂直于分量轴的水珠加速度分量；x˙——垂直于分量轴的速度分量；x¨——垂直于分量轴的加速度分量。假设常温为10.0 ℃，运动黏度系数为1.356 3×10-6，则雷诺数Re为：Re=umaxDv=8.686 1×106 (5)Kc=HumaxD=1.060 287 53 (6)式中：Kc——无量纲数，用来描述振荡流场中的物体受到的黏性力相对惯性力之间的关系。雷诺数Re106时，阻力系数对粗糙度△=k/D的依赖性可以作为以上值，同时适用于不规则波分析和不规则波分析。CDS(△)=0.65,△10-429+4⋅log1u˙ (△)/20,10-4△10-21.05,△10-2 (7)侧向材料为未进行涂层的金属钢时，粗糙度△为1.25×10-5，则CDS(△)=0.65。对于Kc3，假设CA与Kc无关，并且等于光滑和粗糙圆柱体的理论值(CA=1.0)。则CM为惯性系数，CM=CA+1=2。根据Wheeler伸缩，使用Morison方程得到相关系数。u=πHmaxTmaxcoshksdd+ηsinhkdcosα=0.283 368coshksdd+ηcosα (8)a=u˙=2π2HmaxTmax2coshksdd+ηsinhkdsinα=0.148 371coshksdd+ηsinα (9)求得该浮筒上Morison力F'为：F'=∫70100+4.5cosαdF=∫70100+4.5cosα CMρπD24a+12ρDCDu|u|ds (10)根据Morison力随相位角的变化可知，相位角为1.570 8 rad时，最大Morison力为3 809.58 kN。3稳性计算3.1浮心与小角度倾斜大多数情况下，海上平台由几个不同的较小的几何形状组成。对于具有许多浮动部件并相互连接的平台，可以直接计算其体积和浮力中心。∇=∑i=1NVi (11)式中：i=1,2,...,N——浮力部件序号；Vi——第i个结构构件的淹没体积。平台的浮力中心的计算过程可以将每个构件的体积矩相加，再除以平台的总淹没体积。结构在水中的稳定性可以根据平衡位置的状态确定，无论平台处于静止还是运动以及结构在静态运动后是否有能力恢复平衡位置，均可以通过计算结构的翻正力矩，并将其与任何可能使结构倾斜的外部力矩进行比较。考虑某个浮动结构的横截面。受到外部施加的力矩的影响，结构倾斜一个小的倾角δ，达到一个新的平衡位置。倾角较小时(小于10°)，满足sinδ≈tanδ≈δ。由于浮力Δ=ρg∇保持不变，浮心移动到一个新的位置B'，而浮体失去了一些水下体积，获得了相同的水上体积。反应力矩的计算公式为：WGZ¯=ΔGZ¯=ρg∇GZ¯=w∇GM¯sin δ≈w∇GM¯δ, δ≪1 rad (12)式中：W——风电平台总重力；GZ¯——翻正力臂；w——海水重度；GM¯——中心高度。GM¯是稳定性的衡量标准，GM¯0为稳定的充分必要条件。如果GM¯0，则补偿力矩将对抗倾斜。因此，GM¯可以确定结构的初始稳定性。GM¯=KB¯+BM¯-KG¯=KM¯-KG¯ (13)式中：KB¯——水下体积的质心；BM¯——横向中心半径；KG¯——重心的垂直分量。3.2结构初稳性计算在有无压载作用下，结构的重心、浮心、吃水深度分别如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.013.T005表5有无压载情况下海上风机平台浮动情况压载情况质量/t重心/m浮心/m吃水深度/m无压载24 41624.5217.5223.29有压载27 33927.8318.3234.93由于GM¯0，通过向浮筒底部增加压载降低平台重心，增大浮筒直径，并控制海平面距甲板的竖直距离不小于1.5 m。假设海平面距甲板竖直距离为1.0 m，则该结构的重心、浮心和吃水深度分别变成27.26 m、18.38 m和35.00 m。3.3结构倾斜下稳性计算假设结构发生小角度倾斜，设倾角为δ=3°，入水体积的形心到原点的距离g1O=9.54 m，浮式平台的排水体积为v1= 784.65 m3，则BM为：BM=BB'/δ=2g1Ov1/(∇⋅δ)=4.730 (14)在初步判定下，该结构具有稳性。4造价估算对整个风机平台的各部分建设成本进行估计，设计风机平台的造价估算结果如表6所示。该海上风电系统的折算费用为12 479.85元/kW。分析各个部分的成本在总成本中的占比，并与目前市场上平台设计的平均成本进行比较。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.013.T006表6设计风机平台的造价估算结果类别项目型号单价数量总价/元材料光伏板300W4.5元/W2 MW9 000 000风电机SG 10.0-193DD6 950元/kW10 MW69 500 000钢材Q345D3 680元/t5 975 t21 985 313.6电缆JKYG-951200元/m200 m240 000混凝土C451 800元/t18 442 t33 195 600控制设备约5 000 000输电设备约1 200 000其他耗材约500 000制造钢材成型约500 000连接件约200 000人工费安装费用7 031 046运维费用（每年）1 406 209总价149 758 168根据我国海上风电行业情况，现阶段设备购置费约占工程成本的50%。其中，包括风电机组及塔筒设备、送出海缆及相关电气设备费用，成本约为9 000~10 000元/kW。另外，建造与安装费用约成本约为6 000~7 000元/kW。当前海上风电已竣工的风电场项目相对数量少、规模小，相应船机设备不成熟，施工队伍较为单一，施工经验不足，造成建设成本较高。其他费用包括项目用海用地费、项目建管费、生产准备费等，总成本约1 600~1 900元/kW。目前市场上建造风电平台的平均成本为17 800元/kW，文中设计的平台成本仅为12 479.85元/kW。在考虑尽量满足极端海上环境与稳定性的基础上，建造与安装费用与其他费用根据实际情况计算，该设计能够减少30%费用，有助于实现低成本、高效率海上风电发展的目标。5结语海洋风电的优势包括风能资源充足、发电效率高、具有稳定性和可持续性等，能够为全球能源转型提供更多的清洁、可再生能源。但行业发展仍面临许多挑战，包括技术难度高、建设费用高、运行维护难度大等。海洋风电是未来能源转型的重要方向之一，发展前景广阔，但也需要克服一些技术和政策上的难点，才能更好实现可持续发展。