在海上风电领域，漂浮式风机比传统固定式海上风机更具独特优势。传统固定式海上风机受限于水深、地质条件等因素，多部署在近海区域，而近海区域风能资源相对有限，且易受人类活动干扰，一些水深超过60 m的海域，固定式风机将难以建设。与之不同，漂浮式风机在深远海风能资源开发中具有不可替代性，其不受水深限制，能够深入到离岸更远、风能资源更为丰富且稳定的海域进行开发，极大地拓宽了风能利用范围。在对海洋生态环境的潜在影响方面，传统固定式海上风机庞大的基础结构会改变海底局部地貌，影响海洋生物的栖息和洄游路线。而漂浮式风机采用漂浮平台支撑，通过系泊系统固定于海面，对海底生态环境的直接影响极小; 其在安装和维护过程中，也无须大规模海底施工，减少了对海洋生物栖息地的破坏，有助于保护海洋生物多样性。此外，漂浮式风机的安装位置更为灵活，可以避开海洋生态敏感区域，进一步降低对海洋生态的潜在干扰。作为未来深远海风资源开发的主要形式之一，漂浮式海上风电发展潜力巨大，也是目前全球范围内的研究热点。
本文总结了漂浮式风机的国内外发展现状，分析了当前漂浮式风电技术发展的一些瓶颈问题，重点介绍了目前全球单体容量最大漂浮式风电平台“明阳天成号”的技术参数及创新之处，以期为未来漂浮式风电项目的设计优化提供实际工程建议。
1 漂浮式风机的国内外发展现状
浮式基础形式主要有立柱式(spar)基础、半潜式(semi-submersible)基础和张力腿式(tension leg platform，TLP)基础。2009年，挪威国家石油公司建造了世界上第一台漂浮式风机“Hywind”，该样机的装机容量为2.3 MW，采用的是立柱式(spar)基础形式，截至2023年，国外已建成不少投运具有一定知名度的漂浮式样机和小批量漂浮式风场[7-8]，具体如表 1所示。由表可知，目前国外漂浮式风电机组主要分布在挪威、葡萄牙、日本、英国、法国、西班牙等国家; 机组类型多为单机组风机，容量分布在0.22~9.50 MW，主要以2~3 MW的小容量机组为主。立柱式基础的特点是具有较小的水线面，有助于减小平台垂荡运动，但立柱式基础通常适用的水深较深(＞100 m)，例如挪威Hywind风机项目场址水深为220 m，日本Fukushima Forwardphase3项目场址水深为120 m。半潜式基础具有较大的水线面，适用的水深范围较广，技术较为成熟，于英国Kincardin Phase2项目上实现小批量应用，该项目采用了5台MHI Vestas 9.5 MW机组。张力腿式基础对浮式基础约束最强，使得浮式基础稳定性较为出色，但张力筋施工需要定制安装船，安装难度较大，西班牙Pivot Buoy项目即为该形式，采用了Vestas的0.22 MW主机，由西班牙漂浮式技术公司X1 Wind主导设计。此外，驳船式通常采用钢筋混凝土或钢材制成，外形类似传统驳船，具有较大的水线面面积，西班牙的DemoSATH项目即为该形式，浮式基础采用混凝土摇摆双体船，基础尺寸为长67 m、宽30 m。2009-2023年，欧洲国家在开发漂浮式风电技术方面已经历样机验证，正处于小批量商业化应用阶段，其技术水平和产业链布局方面处于世界领先地位。
| 投运时间/年 | 国家 | 项目名称 | 单机容量/MW | 主机制造商 | 基础形式 |
| 2009 | 挪威 | Hywind Demo | 2.3 | Siemens | 立柱式 |
| 2011 | 葡萄牙 | WindFloat Atlantic Phase1 | 2 | Vestas | 半潜式 |
| 2013 | 日本 | Fukushima Forwardphase1 | 2 | Hitachi | 半潜式 |
| 2013 | 日本 | Kabashima | 2 | Hitachi | 立柱式 |
| 2015 | 日本 | Fukushima Forwardphase2 | 7 | Mitsubishi | 半潜式 |
| 2016 | 日本 | Fukushima Forwardphase3 | 5 | Hitachi | 立柱式 |
| 2016 | 日本 | Sakiyama | 2 | Subaru | 立柱式 |
| 2017 | 英国 | Hywind Pilot Plant(30 MW) | 6 | Siemens | 立柱式 |
| 2018 | 法国 | Floatgen | 2 | Vestas | 半潜式 |
| 2018 | 日本 | IDEOL Kitakyushu Demo | 3 | Aerodyn | 半潜式 |
| 2018 | 英国 | Kincardine Phase1 | 2 | MHI Vestas | 半潜式 |
| 2019 | 葡萄牙 | WindFloat Atlantic2(25 MW) | 8.3 | MHI Vestas | 半潜式 |
| 2020 | 韩国 | Ulsan Demo | 0.75 | Unison | 半潜式 |
| 2021 | 挪威 | Tetraspar Demonstration | 3.6 | Siemens | 立柱式 |
| 2021 | 西班牙 | Pivot Buoy | 0.22 | Vestas | 张力腿式 |
| 2021 | 英国 | Kincardin Phase2(48 MW) | 9.5 | MHI Vestas | 半潜式 |
| 2022 | 挪威 | Hywind Tampen(95 MW) | 8.6 | Siemens | 立柱式 |
| 2022 | 爱尔兰 | AFLOWT | 6 | TBC | 半潜式 |
| 2023 | 西班牙 | DemoSATH | 2 | — | 驳船式 |
中国漂浮式风电的研究起步较晚，尚处于样机验证阶段，目前已有的研究项目汇总如表 2所示[9]。由表可知，中国目前大多采用单机组风机，容量分布在4.0~8.3 MW，基础形式主要为半潜式钢结构基础。“引领号”是由中国长江三峡集团有限公司于2021年建成投运的中国首台漂浮式风机，该样机安装在广东省阳江海域，主机采用的是明阳智慧能源集团股份公司的5.5 MW机组。“扶摇号”是由中国海装于2022年完成建造，该样机安装在广东省湛江海域，主机采用的是中船海装风电有限公司的6.2 MW机组，风轮直径为152 m。“国能共享号”是由龙源电力集团股份有限公司于2023年建成的全球首个漂浮式风渔融合项目，该样机位于福建省莆田市南日岛国家级海洋牧场示范区，主机采用的是上海电气集团股份有限公司的4 MW机组，该项目实现了漂浮式风电与传统海洋经济共同发展。“观澜号”是由中海油能源发展股份有限公司于2023年完成建造，该样机位于距海南省文昌市136 km的海上油田海域，主机搭载的是明阳智慧能源集团股份公司的7.25 MW机组，该样机场址水深为120 m，标志着中国漂浮式风电领域向深远海的探索与突破。随着中国对深远海风电开发的力度不断加强，漂浮式风电相关技术研究和应用正逐步赶超欧洲国家先进水平。
表 2 中国漂浮式风电项目汇总(已投运)[9] |
| 投运时间/年 | 项目名称 | 单机容量/MW | 主机制造商 | 基础形式 | 开发商 |
| 2021 | 三峡阳江漂浮式示范项目—引领号 | 5.5 | 明阳智慧能源集团股份公司 | 半潜式/钢结构 | 中国长江三峡集团有限公司 |
| 2022 | 海装湛江漂浮式示范项目—扶摇号 | 6.2 | 中船海装风电有限公司 | 半潜式/钢结构 | 中船海装风电有限公司 |
| 2023 | 龙源电力莆田南日岛项目—国能共享号 | 4 | 上海电气集团股份有限公司 | 半潜式/钢结构 | 龙源电力集团股份有限公司 |
| 2023 | 中海油文昌漂浮式示范项目—观澜号 | 7.25 | 明阳智慧能源集团股份公司 | 半潜式/钢结构 | 中海油能源发展股份有限公司 |
| 2024 | 明阳天成号 | 8.3(2台8.3 MW) | 明阳智慧能源集团股份公司 | 半潜式/混凝土 | 明阳智慧能源集团股份公司 |
2 漂浮式风电技术的发展瓶颈
近年来，漂浮式风电发展迅猛，全世界范围内漂浮式风机方案层出不穷，在机组形式、浮式基础结构、系泊方式等方面均呈现较大差异。同时，漂浮式风电技术正逐渐走向商业化，其经济性指标，如度电成本(levelized cost of energy，LCOE)、内部收益率等也在持续改善。然而，中国发展漂浮式风电的过程中，仍存在一些亟待解决的问题。
1) 漂浮式风电开发成本高。平价上网是评价风电场是否适合进行商业化开发的重要参考指标。现阶段，漂浮式风电技术尚未成熟，仍处于示范阶段，研发和应用成本较高。以“引领号”“扶摇号”和“观澜号”为例，单位千瓦投资分别为5.91万元、5.67万元和4.87万元[10]，距离平价上网目标尚远。中国漂浮式风电开发尚处于起步阶段，还未形成大规模产业，技术及配套产业链尚不成熟，仍然需要推动技术创新，从而带动相关产业链发展，逐步降低开发成本，以期实现大规模商业化应用。
2) 一体化仿真设计工具链不完善。漂浮式风电涉及多物理场与多系统耦合，设计中需要考虑风电机组、浮式基础、塔架系统、系泊系统等多个系统在外界载荷包括风、浪、流等耦合效应，快速实现风电机组、浮式基础及系泊一体化耦合仿真是漂浮式风电开发所面临的关键问题。
4) 漂浮式风电发展仍然缺乏颠覆性创新技术的推动，目前漂浮式基础型式过于单一，产业集群效应尚未形成，技术发展和配套产业链还不足以支撑和促进漂浮式风电进行大规模的商业开发[13]。
3 漂浮式风电技术的创新突破
为了解决上述瓶颈问题，研究者们从技术创新和项目实践两方面[14]出发，通过浮式基础结构创新、新材料应用、多学科融合交叉一体化仿真技术等方面开展研究，在保证安全可靠前提下，进一步降低漂浮式风机的建造成本，形成以创新为导向的技术驱动力，不断推动中国漂浮式风电技术的发展。在创新浮式基础结构型式方面，宋波等[15]提出一种新型半球壳式漂浮式基础，并采用数值模拟验证这种基础形式的可行性和结构的整体稳定性。在新材料应用方面，邓露等[16]基于传统的钢结构漂浮式基础，提出了一种成本低、耐腐蚀的钢筋混凝土漂浮式基础概念设计方案，并通过数值模拟验证其可行性。在一体化仿真技术方面，越来越多的学者开始开发适用于海上漂浮式风机的时域数值仿真程序，例如Chen等[17]自主开发了浮式风机一体化数值仿真程序DARwind，为相关研究提供了有力工具; 浙江大学王立忠教授团队研发了海上风电一体化设计分析软件Zwind[18]，该软件包括资源环境、基础结构与运营维护三大端，其现行版本核心功能为基础结构端，实现了耦合气动-水动-土动-多体-控制的整机一体化分析与设计功能。由江苏金风软件技术有限公司牵头研发的GTSim整机仿真软件，耦合了多体动力学、空气动力学、水动力学、控制等多学科算法，具备全流程全工况整机仿真功能，可有效支撑未来大叶轮、长柔叶片、高塔架风电机组的仿真设计，还可以实现算法模块化快速开发集成，按照使用场景不同颗粒度模块组装使用[19]。Bentley软件公司Moses研发团队与中国电建集团华东勘测设计研究院合作开发的OpenWindPowerFloatingHDEC，以Moses为核心，集合可视化图形建模、结构强度疲劳分析后处理功能以及OpenFAST的AeroDyn模块，拥有风机-浮体动力响应耦合分析能力，为海上漂浮式风机项目提供了便捷的一体化仿真分析方案，还具备基于状态空间方法的动力响应求解算法，能在保证精度前提下缩短计算时间[20]。上述研究从不同角度深入探索、开发出各具特色的仿真程序与方法，有力推动了海上漂浮式风机一体化仿真技术的发展，为该领域的理论研究和工程实践提供了丰富的技术支撑与参考依据。
在项目实践方面，中国已完成5个漂浮式风电样机示范项目建造，分别为“引领号”“扶摇号”“观澜号”“国能共享号”和“明阳天成号”。其中，于2019年开始研制、2024年建成的大型漂浮式风电平台“明阳天成号”，是目前全球单体容量最大漂浮式风电平台，其建成标志着中国在漂浮式风电技术的重大突破。“明阳天成号”于2024年7月在中船黄埔文冲造船厂下水，并于同年12月成功并网发电的消息被新华网等多家媒体报道[21]。下文以“明阳天成号”为例，详细阐述了中国先进的漂浮式风电成果中集成的多个创新技术。
3.1 基本参数
3.2 预应力高强度混凝土技术
漂浮式风机的设计是极为复杂的系统性工程，不仅是外观样式，更需要各核心零部件通过精妙的设计与严谨的工艺紧密耦合，构成高效、稳定的有机整体，实现技术层面的创新突破。在设计之初，项目团队对“明阳天成号”漂浮基础所需的高强度承载性能进行了深入分析与精准评估，针对严苛的工程要求，首次采用实验室试配强度超过150 MPa(如表 4所示，漂浮式基础预制件第A8节冷缝试验，设计强度等级C130)的高强度混凝土进行制造，极大地提升了浮式基础结构的承载能力，为风机在复杂多变的海洋环境中稳定运行筑牢了根基。此外，“明阳天成号”的浮式基础采用了预应力高强混凝土装配式结构，具体结构形式如图 2所示。这一方案的实施，成功验证了模块化设计与工业化制造的可行性，为漂浮式风机产业迈向高性价比发展之路注入了新动力。
高强度混凝土的研制，目前国际上较通用的技术路线为：高标号水泥添加超细矿物掺合料，再添加高效减水剂。通过提高水泥的强度标号和用量增加混凝土的强度; 加入超细矿物掺合料增加其密实度，也有利于强度的提高; 采用高效减水剂可提高混凝土的流动性等工作性能。但在高强度混凝土的实际配制和应用中须解决如下关键问题：
1) 新拌混凝土黏度大。影响新拌混凝土黏度的主要因素有水胶比、水泥特性、外加剂、掺合料、搅拌时间、施工工艺和环境因素[22]。高强度混凝土低水胶比设计以及使细度较细的水泥具有较大的比表面积，均需要加入更多的水分，这导致高强度混凝土的黏度增加，给施工带来了极大挑战。
2) 运输过程中扩展度的损失。在高强度混凝土的运输过程中，由于时间的延长，混凝土的扩展度往往会减小，这对于需要长距离运输的工程来说是一个挑战，如何保证高强混凝土的施工性能是高强混凝土应用的关键问题之一。“明阳天成号”所采用的混凝土在完成拌合后2 h仍能保持优异的工作性能，高于标准《超高性能混凝土现场浇筑施工技术规程》所要求的“拌合物从搅拌机卸入搅拌运输车至卸料时的时间不宜长于90 min”[23]。
3) 早期温升开裂。确保新浇的混凝土构件在早期不产生任何裂纹，是保证混凝土浮式基础后期防水密封的关键。“明阳天成号”混凝土预制构件在制作时遇到的最大难题即早期开裂问题，技术团队从高强混凝土配合比设计、添加剂、养护措施、温度监控等方面进行试验，最终实现“明阳天成号”的混凝土预制构件均以零裂纹的优质状态通过验收。
4) 混凝土收缩大。使用过多的胶凝材料和低水胶比会导致高强混凝土收缩增加，从而提高了开裂的风险; 养护方式的不同也会对混凝土收缩性能产生较大影响。为了生产出高质量、高稳定性的混凝土预制件，“明阳天成号”技术团队在实验室和生产施工现场进行了大量试验以验证混凝土预制件的强度、耐久性、密封性等。
3.3 复合材料轻量化浮筒设计和建造技术
传统漂浮式基础的浮筒多由纯钢结构打造，例如知名的WindFloat及其衍生出的三立柱、四立柱半潜式漂浮基础。但钢结构浮筒自身质量过大，为了平衡重力需更多浮力，进而导致浮筒质量进一步增大，形成恶性循环，使得成本大幅上升。“明阳天成号”在浮筒制造上，首创性地采用“钢结构内筒+聚氨酯泡沫(polyurethane foam，PU)+玻璃纤维增强材料(glassfibre reinforced plastics，GFRP)”的创新方案，如图 3所示。这既有效减轻了浮筒质量，又能满足浮筒功能性需求。
在漂浮式机组的拖航、海上施工以及后期长期运行过程中，由于海上复杂的作业环境，采用聚氨酯泡沫制作的漂浮式浮筒与施工船、运维船或渔船发生意外碰撞的情况几乎难以避免。为解决这一问题，“明阳天成号”研发团队进行了大量仿真分析与模拟实验，浮筒碰撞的数值模型如图 4所示，浮筒碰撞模拟试验装置如图 5所示，测试了浮筒长轴和浮筒短轴2种碰撞方向，确定合适的聚氨酯泡沫材料，并优化浮筒整体结构，确保即使发生意外碰撞，也不会立即丧失浮力，影响浮式风机整体安全。同时，引入先进的船舶监测预警系统，利用高精度雷达与传感器，实时监测周边船只动态，一旦发现有碰撞风险，便及时发出预警并采取相应避让措施，最大程度保障浮筒在复杂海上环境中的安全。
浮筒建造过程中，粘接工艺、泡沫拼接工艺、表面涂装工艺等对于浮筒不同部件连接的牢固性与密封性产生重要影响。在复杂的海洋环境下，其制造质量直接影响浮筒的整体安全性与稳定性。鉴于各工艺的复杂性，“明阳天成号”技术团队针对不同品类的粘接剂、泡沫材质、涂装材料等，通过广泛且深入的测试了解各工艺在不同材料品类组合下的性能，综合考虑可靠性、成本、施工质量、施工难度、施工周期等因素，确保浮筒在满足严苛性能要求的同时，实现高效且经济的生产。
3.4 智能感知协同控制技术
通过人工智能物联网与认知计算技术的深度整合及其在数据科学中的运用，“明阳天成号”展现出强大的环境感应力、基于大数据的智能化解析、精确的决策制定及全方位的安全保护功能。
“明阳天成号”安装了超过3 000个智能感应器，除传统的大部件监测传感器外，还配备惯导波浪监测、阴极保护、应力监测、螺栓载荷、高压柜气体监测、浮筒破损监测、防雷监测、自动消防等系统，通过视频、图像、音频、位移、温度、振动、应力、电压、电流、风速、风向等信息综合分析技术，可实时了解两千多个零部件的工作状态。
基于明阳智慧能源集团股份公司的全方位健康管理平台，“明阳天成号”可以实施针对各个部件的智能化管理维护。该平台不仅能对风机进行智能预警、健康监测，还能通过可靠性评估及预测、故障树分析等评估机组的整体状态。此外，“明阳天成号”还采用了先进的人工智能算法，通过一系列先进控制算法，如姿态压载控制、尾流控制、智能偏航校正、激光雷达前馈控制以及基于多目标潮流计算的能量协同控制等，在面对气候变化、季节变动等多种复杂环境因素时展现出高度适应性和自我调整能力，保证机组安全性同时最大限度提升发电量。
3.5 单点系泊技术
“明阳天成号”采用了单点系泊和下风向设计，降低了塔架净空对叶片的束缚，叶片也可以获得更大的活动空间，同时也能更加灵活有效地捕捉风能，提高整个机组的发电效率。在极端台风条件下，通过单点系泊技术，整个机组能够根据台风的风向绕单点系泊进行自动旋转对风。
浮式结构在环境载荷的作用下，通常时刻处于运动状态，牵引着与之连接的系泊缆。但系泊缆也制约着浮体的运动，这种耦合作用不可忽视。“明阳天成号”系泊系统设计采用时域计算方法计算了系泊系统和浮体耦合作用下的动态响应。在时域内计算浮体的运动控制方程[24]如下：
其中：$M_{\mathrm{f}}$为浮体质量，$M_{\mathrm{A}}$为浮体附加质量，$C_{\mathrm{f}}$为浮体波浪阻尼，$K_{\mathrm{m}}$为系泊非线性刚度，$X_{\mathrm{f}}(t)$、$\dot{X}_{\mathrm{f}}(t)$、$\ddot{X}_{\mathrm{f}}(t)$分别为浮体在t时刻的位移、速度和加速度，$F_{\text {wave }}(t)、F_{\text {wind }}(t)、F_{\text {cur }}(t)$为浮体在t时刻所受的波浪荷载、风荷载、流荷载。系泊一体化仿真分析模型如图 6所示，每个分析工况采用10组不同种子数进行模拟，对于单点系泊，风浪流同向和风浪流不同向的情况均须考虑。另外须分别考虑有海生物附着和无海生物附着的工况。除了确保生命周期内系泊缆极限、疲劳强度均满足标准要求外，在满足强度要求的基础上，还须确保系泊缆与海底有足够间隙，防止其与海床摩擦导致系泊缆受损。
3.6 双风轮技术
“明阳天成号”由2台8.3 MW主机和2个风轮直径为182 m的叶轮分别安装在“V”型的翼型塔架上，2个叶轮总的扫风面积超过52 000 m2。2个叶轮叶尖之间的距离小于7 m，这样的极限设计是综合考虑叶轮间距、风能利用效率和“V”型塔架夹角之后的最优解。这种设计不仅保证了2个叶轮独立运行的安全间隙，又实现了最大的捕风能力，同时还增强了塔架系统的整体稳定性。当2台风力发电机开始运行时，2个叶轮将朝相反方向转动，对向旋转使得叶轮中间区域的风速提升，空气动能转化的电能也随之增加。从整个风场的布局来看，单台风机的叶片越长，尾流对后面风机的影响就越大，“明阳天成号”采用2个小尺寸风轮反向旋转带来的“耦合涡流”效应，能够减少整个风场的效率折损。
3.7 抗台风技术
“明阳天成号”将抗台风技术和人工智能相结合，通过实时监测台风的风向、平均风速、极大风速、气压、距机位点的距离等预判数据，为制定抗台风策略提供科学有效的依据，保证机组安全和稳定。
为了确保机组在极端天气下的稳定和安全，“明阳天成号”在设计之初即考虑了360°方向的台风载荷; 其采用了单点系泊和下风向被动偏航技术以及具有气动翼型塔架及浮筒，使机组能够根据台风的方向自适应的偏航对风。同时，“明阳天成号”基础主体全部位于水面以下，在保证机组稳定性同时，减少了水线面，极大限度地降低了波浪影响。
2024年9月4日，第11号台风“摩羯”升级为超强台风，最大风速为68 m/s，中心最低气压为905 kPa，是自1949年以来登陆中国大陆的最强秋季台风。2024年9月6日，台风“摩羯”经过“明阳天成号”部署的监测机位，采集到3个浮筒的吃水、机组俯仰角(pitch)和翻滚角(roll)方向倾角的传感器数据，结果如图 7所示。由图可知，台风经过期间，机组吃水及倾角变化幅度均较小，说明了“明阳天成号”具备较优的抗台风性能。
4 结论
风能作为海洋赋予人类的宝贵资源，正引领全球迈向一个全新的能源时代。在全球海上风电朝着深远海、大型化和智能化加速发展的浪潮中，漂浮式风电作为前沿领域，其工程化与商业化进程充满机遇，也面临诸多技术挑战与创新需求。本文梳理了漂浮式风电在国内外的发展现状，展现了国外从样机验证到小批量商业化应用，国内从起步探索到逐步追赶的发展态势。同时，深入剖析了中国在拓展该领域时遇到的瓶颈问题，并以目前全球单体容量最大的“明阳天成号”漂浮式风电平台为例，详细阐述了其在预应力超高强度混凝土技术、复合材料轻量化浮筒设计和建造技术、智能感知协同控制技术、单点系泊技术、双风轮技术以及抗台风技术等方面的创新突破。这些创新成果从建造成本控制和提升安全性两大关键维度，为漂浮式风电未来发展提供了极具价值的实践经验和技术参考。
漂浮式风电技术仍须持续创新。一方面，应进一步攻克技术难题，降低成本，提高漂浮式风电的经济性和市场竞争力; 另一方面，应加强多学科融合，探索更多颠覆性创新技术，推动整个产业集群式发展。随着技术的不断进步，漂浮式风电有望在全球能源转型中发挥更为重要的作用，助力实现绿色低碳的能源发展目标。
