风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。
随着海上风电技术的不断发展，人们发现这一产业虽然潜力巨大，但潜在着一系列的技术难题。众所周知，海上风电技术及其产业规模能够有如今这般蓬勃发展的局面，很大程度上是借了辽阔的大海的“东风”。而在人类对海上风电要求日益水涨船高的今天，这股曾经扬起海上风电之帆的“东风”却隐隐对其呈阻挡之势。人们能否妥善处理风电技术和海上环境之间的“结缔”，很大程度上决定了未来风电技术的发展上限。
海上环境下的主要影响因素
与陆上风电场相比，海上风电场具有平均风速高、年利用小时数高、风电机组单机容量更大等优点，同时海上环境条件更为严酷，海上风电场设备更易受到盐雾、台风、海浪与海生物附着等恶劣自然条件影响，导致风电机组部件失效加快，机械与电气系统故障率上升。
1风环境
一般说来，海上年平均风速明显大于陆地，研究表明，离岸10km的海上风速比岸上高25%以上。以渤海为例，渤海是我国的内海，海域面积约1.5*104km2。平均最大风速可达到23.3m/s。根据测风塔43.6m高度资料分析，渤海2月、5~8月风速较小，10~4月风速较大，冬季发电比较理想。全年平均风速7.56m/s，全年平均风功率密度552.2W/m2。以风力发电示范项目为例，根据轮毂高度57m推算的年平均风速7.72m/s以及韦布尔函数拟合的风频分布，计算金风70/1500风机年发电量，理论年产量可达到5262741KW.H。而且风力发电示范项目所在海域的周围没有障碍物影响，湍流比较小。因此比较适合风力发电项目的实施。
海面的粗糙度较陆地小的多，因此风速在海平面随高度变化增加很快，通常在安装风机所关注的高度上，风速变化梯度已经很小了。因此通过增加塔高的方法增加风能的捕获在某种程度上不如陆地有效。由于海上风边界层低，所以海面上塔高可以降低。陆地与海上风速剖面比较如图1所示。
图1 陆地、海上风速剖面图比较
湍流度描述的是风速相对于其平均值的瞬时变化情况，可以表示为风速的标准偏差除以一时间(通常10m/min)风速的平均值。自由风湍流特性对风机的疲劳载荷大小影响很大。由于海上大气湍流度较陆地低，所以风机转动产生的扰动恢复慢，下游风机与上游风机需要较大的间隔距离，即海上风场效应较大。通常岸上湍流度为10%，海上为8%。海上风湍流度开始时随风速增加而降低，随后由于风速增大、海浪增高导致其逐步增加，如图2所示。
图2 海上风速与湍流度关系
除此之外，湍流度还随高度增加而几乎呈线性下降趋势，如图3所示。
图3 海面上高度与湍流度关系
2水深与海浪
水深和海浪是影响海上风电场发展的另外的2个重要自然因素。水深不仅直接影响塔基尺寸和质量，而且影响海浪产生载荷。海浪随水深而增高，水深同时使海面到塔基的塔杆增加，从而导致塔基受到很大的翻滚力矩。国外研究表明，浪高随风速增加基本呈线性增加，当风速大于20m/s后，海浪达到极限值大约为4m，这是因为较浅的水深限制的缘故，浪高的极限值受水深的制约而不是风速。
海浪包括风浪、涌浪和近岸浪。从我国海区来看，渤海风浪浪高最小，黄海的比渤海略大，东海的大于黄海，南海风浪最大。就季节而言，秋季风浪波高最大，其次是冬季，夏季的居第三，春季的最小。风浪的周期与波高是匹配的，两者呈正比关系。涌浪季节变化和海区特点和风浪分布趋势相同，总体上讲，涌浪波高和周期，比风浪的要大，但在沿岸海域和封闭性较强的海域，这种差异较小。同时根据国家海洋预报台对沿海海况的监测描述，海上平均风速与典型浪高近似有如图4所示的线性关系。
图4 沿海海面的风浪关系
3气象与生物
海上风电场一般位于沿海海域，这一特定地区的气象灾害主要为台风、雷电、暴雨等，其中以台风最为严重。一般情况下，影响风电场的台风发生在每年的5~11 月，对风电场区域的影响以外围为主。以我国东南沿海为例，每年都会登陆10个以上的台风。2018年最强台风“山竹”于9月16日17时在广东台山海宴镇登陆，登陆时中心附近最大风力14级，给台风半径内的风电机组带来了严峻的考验。
图5 “山竹”台风预报信息
而近海和深海的一些生物同样会给风电设施造成破坏：老鼠等小型啮齿动物会咬坏电线等零件；海中的微生物的种类和数量也会对在海上风电建设前期斟酌考虑。同时，海上风电场施工将对部分渔民的养殖活动造成影响，海底电缆管沟开挖和风机基础打桩将导致悬浮泥沙扩散，引起部分区域水质污染，造成部分浮游植物死亡，给海洋生态系统造成影响。运营期间，陆上风电升压站对周围的电磁辐射造成一定的影响，风机的电磁辐射还会令海洋生物及鱼类产生迷途。这种不良后果同样是设计人员所考虑的重中之重。
海上环境对风电工程的影响
1海上风电的安装与施工
随着近几年中国沿海海上风电的迅猛发展，无论是风机容量大小还是机型均在更新求变，加之海上施工难度较大，从而给海上风电的安装技术及设备提出严峻考验。无论是安装工艺技术的确定、吊装工法的选择，还是专用吊装工具设备的更新优化、专业安装船机的打造等因素都直接影响着风电安装的成效。故海上风电安装技术及设备的求变发展，方是目前国内海上风电迅速发展的必要条件。
海上风电安装的过程是利用安装技术及设备，将风机部件安全合理的组拼成整体，最终调试发电，如图所示。
图6 风电部件组装
前文也提到，由于海上风机的安装与一般的设备安装相比环境更加恶劣、难度更大，具体体现在以下三点：
（1）吊装船舶在涌浪及水流的作用下竭力实现趋于静对静吊装工法，十分困难。
（2）风机部件的质量把控要求较高、材料易脆断受损，为成品保护提出了难题。
（3）船舶甲板施工，施工作业面窄空间狭小，而风机部件多数较为庞大，为吊装技术方案的选定带来不便。
1、安装与施工的挑战
在海上环境造成的若干影响因素中，水文和气象是海上风电在安装与施工中需要直面的挑战，具体如下。
（1）台风
以中国为例，根据气象资料统计，台风一般在我国东南部沿海一带登陆，我国东南部沿海每年均会出现多次台风，海上风况复杂，风机机组及整体支撑结构均需要考虑台风的影响，大大增加了海上风电场的建设难度和成本。
（2）潮汐
潮汐挑战主要体现在风暴潮、强涌浪和大潮差上。对于国内而言，特别是我国东南沿海一带属于潮位高、潮差大的大潮区，平均潮差5 m以上。与陆上风机不同的是，沿海地区的滩涂以及浅水海床等环境，海上运维作业受到潮汐影响最为明显。在江淮沿海一带，还会受到极端天气和恶劣天气的影响，例如风暴、团雾、暴雨天气，导致其海上维护作业的周期减短，产生很大的安全隐患。风暴潮受到大气剧烈的扰动，如强风、气压骤变导致海平面不正常的升降差，同时和天文潮叠加恰好形成强烈的低气压风暴涌浪导致的高涌浪，再与天文高潮叠加便会对风电作业造成更大的破坏力，这会给海上施工作业带来硬性的麻烦。强涌浪和大潮差主要是给桩基、吊装作业带来巨大安全隐患，容易使桩基倾斜、船桩摩擦、使起重船摇晃不定，让吊装作业无法通过暂停来规避。
（3）海雾
海雾是出现在海上、沿岸、岛屿附近的雾总称。海雾的水平能见度低至 1 km 以下，海雾对于海上航行、海上作业、海洋开发均有重要影响，是海上重要的灾害性天气现象。对海上风电场建设来说，海雾既影响海上施工安全，又影响到整个风电场的建设工期。
2、吊装技术
目前，世界上海上风机的安装方法按安装过程主要有2类，即海上整体吊装方法和海上分体吊装方法。由于分体吊装的各设备单件质量比整体要小得多，重心比整体吊装要低，且稳定、安全，控制难度比整体吊装小，所以目前最流行的海上风电安装方式还是分体安装。要进行海上分体吊装作业，必须具备2个条件: 安装船舶抗风浪能力要好；使用的吊装设备能尽可能减少海上配套船机设备的使用。但是由于我国东南近海表层淤泥质地基可能导致平台桩腿入泥深度达 10 m以上，造成桩腿深陷泥土中而无法拔出的现象发生，所以这一方面的技术还有待完善。
2支撑结构的腐蚀影响
在沿海和海上区域服役的风力发电机组的服役环境与其他地区相比具有其特殊性。其中很重要的一点是在沿海和海上区域空气不仅湿度大，还含有大量海水蒸发产生的盐分，形成了浓度很高的盐雾。在湿润的空气中，盐雾电离出大量氯离子，氯离子穿透金属表面的防护膜与内部金属发生化学反应，另外氯离子具有一定的水合能，容易吸附在设备表面的孔隙和缝隙，导致金属材料的零部件腐蚀。电气设备内部的线圈和触头腐蚀后，导致电接触不良，使电气设备发生短路或绝缘性能下降，给整个风电机组的安全运行带来不利影响。
3海底电缆
海上风电场发电之后向陆地输送电力并升压并网，海底电缆可以有效传输海上风电机组发出的电能，作为海上风电场电能输送通道，其安全可靠运行对海上风电场的安全运行至关重要。由于海缆被敷设在环境极其恶劣的海底，在运行中除了受到潮汐、波浪、冲刷及地震等自然条件的作用外，还受到海底物质的摩擦、有害气体侵蚀、人类海洋活动的影响。因此，海底电缆不仅对防水、耐腐蚀、及其他不可控外力碰撞等特殊性能要求很高，还要有较高的电气绝缘性能和安全可靠性，否则一旦出现故障，会对海上风电机组发电量造成巨大的经济损失。
结语
在当今海上风电技术不断发展的大背景下，海上充足的风力规模无疑为风电行业提供了新的土壤，从而使海上风电技术得以在此生根发芽。但是，如今在全球海上风电产业中普遍存在的一个问题是：海上风电开发离岸距离越远，这就导致了海上风电技术将要于未来应对更加恶劣的状况。目前来看，海上风电的选址、安装施工以及运行维护都是首先经受海上环境考验的重要环节，在后续文章中将继续推出海上风电环境对运行维护的相关影响，全方位深度剖析海上环境对海上风电带来的影响，敬请期待！
