综述：浮动式海上风力发电机原位安装技术的研究现状与前景

《Ocean Engineering》：Research status and prospects of in-situ installation technology for floating offshore wind turbine

漂浮式海上风电在深水和远海应用中成为关键技术，但安装资源短缺和成本高企制约发展。在位安装技术通过模块化组装、实时监测和专用设备（如WindSpider、GenHook）减少海上拖运需求，降低22%-40%的建造成本和运维成本。中国政策推动下，深海水域占比预计从10%提升至25%（2030年），但需突破动态补偿（±5cm精度）、大型部件更换（如叶轮、机舱）及标准化体系瓶颈，预计2030年实现规模化商用。

　　浮动海上风电（Floating Offshore Wind Turbines, FOWTs）作为一种新兴的可再生能源技术，近年来在全球范围内受到了广泛关注。特别是在深海和远海区域，FOWTs被认为是未来海上风电发展的重要方向。本文旨在系统分析FOWTs的结构配置、发展现状、安装技术的研究进展与挑战，以及未来技术发展趋势和市场前景。同时，文章特别强调了中国在这一领域的政策支持和技术突破路径，为FOWTs的商业化和规模化应用提供了重要的参考。

### 浮动海上风电的发展历程与现状

浮动海上风电的概念最早可追溯至1972年，当时美国教授Heronems首次提出了这一创新构想。然而，由于当时技术水平和成本限制，这一设想未能实现工程应用。此后，浮动海上风电的研究主要停留在理论探索阶段，为后续技术发展奠定了基础。直到2009年，全球首个浮动海上风力发电机组“Hywind”建成并投入运行，标志着浮动技术进入了实际验证阶段。该项目不仅验证了浮动技术的可行性，还推动了全球范围内的研究，包括葡萄牙、日本和英国的探索性项目。2017年，英国的“Hywind Pilot Plant”进一步展示了浮动海上风电的商业潜力，其在风机设计、浮动基础和系泊系统方面的创新为匹配的现场安装解决方案创造了需求。

自2017年起，浮动海上风电技术进入大规模示范和预商业化阶段。以挪威的“Hywind Tampen”项目为例，它成为浮动风电领域的重要里程碑。尽管近年来取得了显著进展，但截至2023年，全球浮动海上风电行业仍处于预商业化阶段。多个国家如美国、韩国和日本已制定发展目标，例如美国计划到2035年实现15 GW的浮动风电装机容量，韩国计划到2030年达到6 GW，日本则计划完成120 MW的示范项目。这些国家的发展目标凸显了浮动海上风电技术在支撑技术（如现场安装）方面的紧迫性。

在中国，浮动海上风电技术的发展始于2022年，国家通过战略规划和专项政策推动了其技术进步。例如，“十四五”规划（2021–2025）明确提出要加快浮动海上风电技术的突破，特别是在现场安装等关键支撑技术方面。随着政策支持的加强，中国的浮动海上风电行业也迎来了快速发展，相关研究和实践逐步深入。

### 中国浮动海上风电的发展现状与全球定位

截至2024年底，中国在全球海上风电市场中占据主导地位，累计装机容量已超过41.27 GW，占全球总量的50%以上。然而，大多数项目仍集中在近海浅水区域，深海装机容量仅占全球总量的10%左右。过去十年，中国的浮动海上风电技术取得了显著进展，包括风机容量的提升（从4–5 MW增加至18 MW）、适用水深的扩展（从不足30米增加至40–70米）以及海上距离的延长（从不足30公里扩展至超过70公里）。这些进步提高了对适应性现场安装技术的需求，也凸显了政策驱动下深海开发的重要性。

在深海环境中（水深超过50米），浮动海上风电相较于固定式海上风电具有显著的成本优势，主要是因为避免了固定结构在深水区域的高基础建设成本。这种优势使得浮动海上风电成为深海风电开发的首选方案。根据研究，固定式海上风电在水深超过50米的区域，每增加10米水深，其单位容量成本将上升15–20%；而浮动海上风电的成本则相对稳定，显示出其在深海开发中的经济潜力。

### 全球浮动海上风电市场展望与技术趋势

据《2025年海上风电回顾与展望》报告预测，到2025年，全球海上风电装机容量将翻倍，达到16 GW；2027年将增至24 GW；到2034年，海上风电装机容量预计将达到55 GW，占新装风电容量的比例将从7%提升至约25%。此外，浮动海上风电的装机容量预计将在2050年超过全球海上风电总量的15%，显示出广阔的市场前景。这些预测表明，随着技术进步和成本降低，浮动海上风电将逐渐成为全球风电行业的重要组成部分，从而推动对成熟现场安装技术的需求。

从技术发展趋势来看，浮动海上风电正朝着更大容量、更深水域、更低成本、更高安全性和更复杂的支撑结构方向发展。这种趋势加剧了传统安装方式对超大型起重机（4000吨级以上）的依赖，而超大型起重机的稀缺性则导致了深水浮动海上风电项目的成本增加。例如，传统方法下，深水项目可能因起重机供应延迟而产生高达25%的成本超支，这凸显了现场安装技术的重要性。

### 浮动海上风电的现场安装技术现状与挑战

现场安装技术是指利用专门的起重设备，在海上风电场指定位置直接安装风机的新型建设方法。其核心优势在于可以解决大型风机安装资源短缺的问题，并在运维过程中实现关键部件的现场更换，从而降低运维成本。然而，当前的现场安装技术仍面临诸多挑战，包括高精度动态补偿、在恶劣海况下的操作难度等。

#### 1. 典型现场安装技术的结构特点与安装需求

浮动海上风电主要由机舱、叶片、塔筒、浮动基础和系泊系统组成。浮动基础的类型主要包括张力腿平台（TLP）、半潜式平台（Semi）、驳船式基础（Barge）和柱状浮筒基础（Spar Buoy）。这些基础类型在安装过程中对技术要求各不相同。例如，半潜式基础占全球浮动海上风电基础市场占有率的67%，其结构体积大且重量分布广泛，因此传统码头安装方式需要超大型起重机进行塔筒和机舱的集成，然后再拖运至海上安装。这种方式在深水区域（超过50米）存在较大的物流复杂性和成本问题。

相比之下，现场安装技术能够通过模块化起吊的方式，将各个部件直接在海上安装，从而避免了复杂的码头预组装过程。这种技术不仅降低了对超大型起重机的依赖，还减少了现场劳动力成本，提高了施工效率。例如，现场安装技术可以将1 GW浮动风电场的生命周期成本（LCC）降低至3.8亿美元，比传统码头安装方式降低22%。此外，现场安装还能显著减少拖航过程中的结构损坏风险，降低因拖航导致的潜在损失。

#### 2. 国内外现场安装技术的发展现状

目前，全球范围内尚未有成功的浮动海上风电现场安装案例，相关技术仍处于研发和初步示范阶段。然而，一些国家已经开始尝试现场安装技术的应用。例如，挪威的“WindSpider”技术是一种新型的自升式起重设备，能够实现20 MW及以上风机的安装和关键部件的现场更换。该技术利用风机塔筒作为起重设备的支撑结构，具备较高的起重能力和无高度限制的特点，可有效应对复杂海况。

丹麦的“Liftra”技术也是一种创新的自升式塔顶起重机，其最大起重能力为120吨，适用于固定式和浮动式海上风电的安装与运维。德国的“LCC140”技术则通过液压环状结构实现自动爬升，无需预先安装轨道或辅助起重设备，适用于150米以上的塔筒安装。荷兰的“GenHook”塔顶起重机在实际项目中已成功应用于浮动风机的发电机更换，标志着现场安装技术在运维阶段的应用初见成效。

在中国，现场安装技术的研究仍处于起步阶段，尚未有大规模应用案例。尽管国内在陆上风机的大型部件更换方面已有一定的实践经验，但在海上浮动风机的现场安装和运维方面仍存在技术瓶颈。例如，目前中国开发的“JLL560”和“UTC600”塔顶起重机，虽然能够实现关键部件的现场更换，但其起重能力仍有限，难以应对未来更大容量风机的安装需求。

### 现场安装技术的未来发展与挑战

随着浮动海上风电的不断发展，现场安装技术也面临新的机遇与挑战。一方面，技术的成熟和成本的降低将推动其在商业化和规模化应用中的潜力；另一方面，仍需解决一些关键问题，包括高精度动态补偿、关键部件的现场更换能力以及极端海况下的适应性等。

#### 1. 技术创新与效率提升

未来，现场安装技术将更加注重自动化和智能化的发展。例如，通过“机器视觉与人工智能路径规划”技术，实现毫米级精度的对接。同时，利用“数字孪生”技术模拟安装过程，优化施工方案。此外，结合“大数据与海洋气象预测”技术，可以更精准地选择安装窗口，提高施工效率。同时，开发“智能监控与预警系统”（如传感器网络和AI算法）有助于实时监测结构应力和运动状态，防止事故的发生。

#### 2. 成本控制与经济效益

随着技术的成熟和规模化应用，现场安装技术的成本有望逐步降低。通过“标准化设计”和“多功能设备”（如安装船同时承担运维任务），可以实现设备的共享和复用，从而降低研发和制造成本。此外，通过建立“LCOE模型”（平准化能源成本模型），可以更精确地衡量现场安装技术在降低拖航频率、缩短停机时间和提升运营效率方面的成本节约效果。

#### 3. 安全与可靠性

为了实现现场安装技术的广泛应用，必须提高其安全性和可靠性。未来，技术研发将重点放在“鲁棒控制系统”（抗干扰、容错机制）和“安全锁定机制”（如自动应急锁定）上，以确保在极端天气条件下（如高风速、大浪）的稳定运行。同时，开展“关键部件长期疲劳测试”（如动态补偿液压缸和连接机构）以及建立“海上现场安装或运维可靠性数据库”，将有助于优化设计和风险评估。

#### 4. 环境保护与可持续发展

在全球对环境保护日益重视的背景下，现场安装技术的发展也将更加注重生态友好性。例如，采用“绿色能源”（如液化天然气、电池或氢能）作为安装设备的动力来源，以减少碳排放。同时，优化操作流程，降低设备待机时间，从而减少对海洋环境的影响。这些措施不仅有助于保护海洋生态系统，也为风电行业的可持续发展提供了技术支持。

#### 5. 技术与实践中的问题

尽管现场安装技术具有广阔的应用前景，但在实际应用中仍面临一些技术难题。例如，在极端海况下（如北 Atlantic 冬季波高超过8米），现有的动态补偿系统（如液压缸）难以维持±5厘米的定位精度，缺乏长期的现场验证数据。此外，大型部件（如叶片和整个机舱）的现场更换仍受限于海上起重机的起重能力（如WindSpider的起重能力为1500吨），而20 MW风机的机舱重量约为2000吨，远超当前技术的承载极限。因此，提高现场安装设备的起重能力是未来技术突破的重要方向。

另外，现场安装技术在极端天气条件下的长期适应性仍需进一步验证。目前，没有浮动海上风电现场安装系统能够经受完整台风季节（如西北太平洋台风，风速超过50米/秒），这引发了对系统耐久性的担忧。同时，由于缺乏大规模商业现场安装项目，相关成本模型仍依赖于模拟数据，缺乏实际项目验证。

### 未来发展方向与建议

当前，浮动海上风电的现场安装技术仍处于研发和初步示范阶段，面临动态环境适应性、高成本、关键部件现场更换能力不足以及缺乏标准等核心挑战。然而，其在解决大型风机安装资源短缺和降低生命周期运维成本方面展现出不可替代的潜力。

未来的发展应重点关注以下几个方面：

1. **突破核心技术创新**：重点研发动态主动补偿技术、智能精准操作技术等，以提升设备的性能和可靠性。
2. **有效降低成本**：通过大规模应用和标准化设计，降低现场安装技术的研发和制造成本。
3. **加速海上示范项目**：通过建设海上示范项目，全面验证技术可行性和经济模型，推动其商业化进程。
4. **建立和完善标准体系**：构建覆盖设计、施工、运维全过程的技术标准和安全规范，确保技术的可推广性和规范性。
5. **推动国际标准统一**：加强与国际组织（如国际电工委员会IEC和国际标准化组织ISO）的合作，解决地区间标准差异，推动全球技术协同。

通过上述关键路径的推进，浮动海上风电的现场安装技术有望在2030年前实现大规模商业化应用，成为推动深海风电发展、降低项目成本和提高效率的重要技术手段。这一技术的成熟和普及将对全球能源转型和应对气候变化发挥重要作用。