浮体式海上风车 Spar/Semi-Sub 复原性模拟器

Q: TLP 和 Barge 的特点是？

TLP（张力腿平台）通过竖张的张力腿产生常时拉力来复原，升沉·俯仰·横摇都小，在石油平台有成熟的商业实绩，但张力腿制造和海底锚泊工程成本高，在 FOWT 中仍处实证阶段（PelaStar 等）。Barge 是浅吃水（约 7m）大型驳船，港湾组装简便廉价，但易受波浪影响，波浪海域运动大，适合平静的内湾和养殖海域。

在水深 50～1500m 展开的浮体式海上风车（FOWT）复原性可视化工具。从 Spar·Semi-Sub·TLP·Barge 4 种形式中选择，改变转子径·水深·有义波高·风速，实时计算转子推力·转覆力矩·静态俯仰角·俯仰固有周期，并判断波周期共振风险。

参数设置

浮体形式

吃水深 / 直径 / 排水量 / 重心高 BM 自动设置

汽轮机定格

枢纽高度

转子径

水深

50m 以下为固定式单桩，200m 以上 Spar/Semi-Sub 较为现实

有义波高 H_s

10m 高风速

m/s

海上 10m 高基准风速。枢纽高用幂律 α=0.11 转换

计算结果

—

枢纽高风速 (m/s)

—

推力 T (kN)

—

转覆力矩 (kNm)

—

静态俯仰角 (deg)

—

固有周期俯仰 (s)

—

稳定性判定

—

浮体·汽轮机截面图 — 俯仰运动动画

显示海面·波·浮体·汽轮机·系留索。俯仰角随汽轮机倾斜。颜色表示复原性余裕（绿→橙→红）。

浮体形式别参数对比

俯仰角 vs 10m高风速

理论·主要公式

$$\theta = \frac{M_{\text{overturn}}}{C_{55}},\quad C_{55} = M\,g\,\overline{BM},\quad T_{\text{pitch}} = 2\pi\sqrt{\frac{I_{55}}{C_{55}}}$$

θ：静态俯仰角 [rad]、C_55：俯仰复原力 [N·m/rad]、BM：重心高（Spar 加上压舱摆锤效应 draft/3）[m]、T_pitch：俯仰固有周期 [s]、I_55：俯仰惯性矩 [kg·m²]。

$$T_{\text{thrust}} = \tfrac{1}{2}\,\rho_{\text{air}}\,C_T\,A_R\,V_{\text{hub}}^{2},\quad V_{\text{hub}} = V_{10}\left(\frac{h_{\text{hub}}}{10}\right)^{0.11}$$

推力 T、空气密度 ρ=1.225 kg/m³、推力系数 C_T=0.8、转子面积 A_R=π(D/2)²、枢纽风速 V_hub 用海上幂律 α=0.11 转换。

浮体式海上风车 Spar/Semi-Sub — 复原性与动态响应

🙋

最近经常听到「浮体式」风车，是不是浮在海里？没有固定，为什么不被风吹倒？

🎓

简单说，原理和船倾斜但能自己扶正一样。风推动汽轮机，浮体自然会前后倾斜（俯仰）。但一倾斜，浮力中心就位移，和重心之间产生「恢复力矩」。这叫复原力（C_55），倾斜越大复原力越大。最后风和复原力平衡就停下了。Hywind Scotland 定额运转时俯仰只有 5～7° 左右。

🙋

那 Spar、Semi-Sub 等为什么有那么多种形式呢？

🎓

问得好！那是「如何获得复原力」的策略不同。Spar 是吃水 100m 多的细长圆柱，下面装压舱（重物）。重心特别低，摆锤一样复原。Semi-Sub 相反，3～4 个立柱在水面展开，通过重心高（BM）赚取复原力。像筏子靠水面面积稳定。TLP 靠海底张力腿常时拉扯来固定，Barge 是浅吃水大驳船靠水面面积复原。左边浮体形式一换，同样的风下静态俯仰角和固有周期就完全不同了，试试看。

🙋

「固有周期」随浮体形式变化有什么问题吗？

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这是 FOWT 设计最关键的一点。海浪周期大多在 6～15s 范围能量集中，如果浮体俯仰固有周期落在这个范围就发生 1 次共振，俯仰幅度爆炸性增长。所以设计讲究「跨越波谱」，Spar·Semi-Sub 设到 25～30s，TLP 设到 2～4s，都是远离波的周期。本工具固有周期和波周期差小于 2s 时会发出共振警告。

🙋

现在已经有正式运转的 FOWT 吗？

🎓

有的。2017 年 Equinor（原 Statoil）运行了 Hywind Scotland，世界第一个商业 FOWT 风电场（Spar×5 基、6MW）。之后是 Kincardine（2021、Semi-Sub 5×9.5MW）、Hywind Tampen（2023、Spar 11×8.6MW，世界最大）都投入运营。日本有福岛沿海实证和五岛椛岛的 2MW Spar 在运行，2030 年代 GW 级展开已成现实。深海到处都能立风车，这就是浮体式的改变游戏规则的优势。

常见问题

转子推力 T = ½·ρ_air·C_T·A·V² 计算枢纽位置的水平力，乘以重心-波面间距离（枢纽高+10m 左右）得到转覆力矩 M。然后计算浮体的复原力系数 C_55 = Mass·g·(BM + h_ballast)，静态俯仰角 θ = M / C_55（rad）。Spar 的 BM 较小，但通过深底部压舱（约 draft/3）的摆锤效应来获得 C_55，这是其特点。

仅看「静态俯仰角」，两者都在数度以内，但优势条件不同。Spar 通过低重心压舱在深水域（200m 以上）表现出色，波周期易于避开固有周期，但需要吃水 100m 以上，港湾组装困难。Semi-Sub 用 3～4 个立柱获得重心高（BM=10m 级），吃水仅 20m 左右，岸壁组装和拖曳容易，但受波浪荷载面积大，结构易变重。

波谱能量多集中在 6～15s 周期范围，如浮体俯仰固有周期 T_θ 重合就发生 1 次共振，俯仰幅度剧增，导致结构疲劳·发电性能下降·工作人员舒适度恶化。FOWT 设计准则是将 T_θ > 20s 或 T_θ < 5s 「跨越波谱」，Spar 约 30s 级，Semi-Sub 约 25s 级，TLP 约 2～4s。本工具当固有周期和波周期差 < 2s 时发出共振警告。

TLP（张力腿平台）通过竖张的张力腿产生常时拉力来复原，升沉·俯仰·横摇都小，在石油平台有成熟的商业实绩，但张力腿制造和海底锚泊工程成本高，在 FOWT 中仍处实证阶段（PelaStar 等）。Barge 是浅吃水（约 7m）大型驳船，港湾组装简便廉价，但易受波浪影响，波浪海域运动大，适合平静的内湾和养殖海域。

实世界应用

商业 FOWT 风电场：Hywind Scotland（2017、Spar 5×6 MW、英国）是世界首个商业项目。随后 Kincardine（2021、Semi-Sub 5×9.5 MW、英国）、Hywind Tampen（2023、Spar 11×8.6 MW、挪威沿海，世界最大）、WindFloat Atlantic（2020、Semi-Sub 3×8.4 MW、葡萄牙沿海）运营中。日本有福岛沿海（2013-2020 实证，现已拆除）·五岛椛岛（2 MW Spar）运行，通过招标制度（2024～）整备，瞄准 2030 年代 GW 级展开。

深海油气田废弃地再利用：北海·挪威沿海等石油·天然气田废弃地（水深 100～300m）已有既有海底管道·电力电缆·洋上直升机坪，是 FOWT 展开的有力候选地。Hywind Tampen 实际上为 Snorre / Gullfaks 油田供电而建，既实现油田 CO2 减排又完成老油田电气化，是典型案例受到关注。

氢气·绿色燃料制造：送电线到不了的远洋 FOWT 可将发电力转换为洋上水电解的氢·氨·甲醇「洋上 P2X」基地。北海·地中海·日本沿海实证项目进行中，欧洲 2030 年代 GW 级洋上氢枢纽构想已公布多项。

CAE 设计与运用诊断：商业 FOWT 联合 OpenFAST（NREL）·OrcaFlex·SIMA·Bladed 进行 JONSWAP 波谱下的耦合分析（空力·水动力·系留·控制）。本工具用线性理论「俯仰角·固有周期的概算」定位，再用非线性时间历程模拟评估疲劳累积·极值响应，是标准两阶段设计流程。运营阶段从 SCADA 数据中检测固有周期经年变化来远程诊断系留腐蚀·压舱变化的研究也在进行。

常见误解与注意事项

首先最大的陷阱是「仅看静态俯仰角就放心」。本工具返回的是定常风荷载下平均俯仰，实海况波·突风·汽轮机控制组合下动态俯仰幅度达静态值 1.5～3 倍。设计需用 NTM（正常湍流模型）+ JONSWAP 波谱的时间历程模拟另外评估最大俯仰角（DEL：设计等效荷载）和疲劳累积（DEM：损伤等效力矩）。本工具应作为「设计初期筛选」工具来理解。

其次「Spar 只是吃水深不复杂」是误解。Spar 吃水 100m 超，港湾内立不了，需横卧拖运 → 深水起直翻转 → 汽轮机加装 → 布署点拖运，大规模施工流程，能对应的起重船·深水船坞世界仅几处。Hywind Tampen 是在挪威沿岸 Stord 船坞制造混凝土 Spar 11 基后拖运。Semi-Sub 可港湾组装但波浪荷载结构设计和动态稳定性困难，是需权衡取舍的问题。

最后「系留索仅保持位置」思想要改正。FOWT 系留用悬链线（Spar/Semi-Sub）或张力腿（TLP），系留刚度对水平摇摆·侧摇和偏航复原性有大贡献。系留设计错了，俯仰稳定也会水平共振或偏航追风性能恶化。系留索张力变动还是海底锚拔除和索疲劳破损（fatigue）主因，欧洲案例有运营 3～5 年后需换索的情况。系留·浮体·汽轮机控制需耦合设计。

浮体式海上风车 Spar/Semi-Sub — 复原性与动态响应

常见问题

实世界应用

常见误解与注意事项

使用指南

具体计算例

实务注意事项