海上风机Spar型浮式基础的运动特性研究

发布时间：2020-06-27 23:48

【摘要】：风能作为一种可再生的清洁能源,在国家能源战略中的地位越来越重要,而深海风能蕴藏风能更为丰富和优质,因此,研究海上浮式风机的运动特性对于提高风能利用具有很重要的意义。本文首先综述了国内外对于海上风机浮式基础的研究进展,介绍了海上风机海洋环境载荷计算的理论,以美国可再生能源研究所(NREL)的海上5MW风机为模型,综合驳船和Spar平台的特点,概念性地设计了一种海上风机Spar型浮式基础。考虑粘性阻尼矩阵和系泊系统回复刚度矩阵,建立风机和基础的整体模型,在频域范围内研究了波浪入射角、水深等因素对浮式基础运动响应的影响。考虑风机与基础的整体模型、系泊系统与基础之间的耦合作用,研究了Spar浮式基础在规则波中的运动响应,分别分析了系泊系统回复力和波面升高对垂荡和纵摇耦合运动的影响。在风、浪、流的联合作用下,编程计算了不同风速下叶片和塔柱的气动弹性载荷,建立风机、基础与系泊系统的整体模型,考虑系泊系统与基础之间的耦合作用,利用DeepC软件对海上风机整体模型进行了时域分析。得到以下结论:(1)波浪入射角对纵摇和纵荡自由度的运动响应影响较大,水深对纵荡自由度的运动响应影响十分明显,该Spar型浮式基础更适用于深水。(2)在规则波中,波面升高对垂荡为主共振时的垂荡运动响应影响很大,而系泊系统的回复力作用能有效地避免内共振现象的发生。(3)在风速达到切出风速25m/s之前,风机在有义波高小于5m的海况1、海况2和海况3中运动响应幅值较小,能满足发电的条件,而在有义波高大于5m时,由于运动响应幅值均过大,应该停止发电。因此,本文设计的Spar型风电浮式基础具有一定实用价值。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P752
【图文】：

分布图,风能,分布图

图 1-1 海上风能分布图以上的深水区域，海上风电还具有以下特点：（1）本消除电磁波、噪声等对居民的影响，减少噪音和，面临浮冰、台风等海上自然条件，对海上风机系统时对风机的运行也是巨大的考验。（3）传统的固定式导管架基础等）的成本随水深的增加成本急剧上升，浮式基础支撑大型的海上风机[2]。究 60m 以上水深的海上风电的技术，对于未来的深重要的意义。本文的内容基于 60m 以上水深的海上式支撑基础，研究 Spar 型浮式基础在海上特定环境风机基础的发展上风机一般安装在水深 30 米以下的沿岸浅水海域，

固定式,浮式,风机,优点

图 1-2 海上风机固定式基础海上风机浮式基础与固定式基础比较，具有如下优点：（1）浮式基础安装在 30 米到数百米的海域，可采用 5MW 乃至 10MW 的大风机，提高风电场发电量；（2）固定式风机基础底部弯矩和倾覆力矩很大，随水深增加塔柱直径增加很快，锚固困难；浮式基础几乎不存在海底弯矩，可以降低基础结构的造价；（3）风机浮式基础锚泊定位，便于拆除，可以迁移安装在风能更丰富的较深海域，不一定局限在面积有限的浅水大陆架；（4）采用集成结构，不需要对每个工程项目重新设计塔柱和基础的连接，这种结构形式也便于安装，可以简化海上安装程序。目前海上风机浮式基础的研究尚处于初步阶段，浮式基础主要借鉴深海石油开采平台。海上风机浮式基础结构型式主要分为：Spar 结构基础，TLP 结构和半潜式结构基础等几种型式，目前均属于概念方案，也有其它比较新颖的浮式基础出现[4]。图 1-3 所示为风机浮式基础型式，从左至右依次为 Spar 型、TLP 型和半潜式基础。

【参考文献】