【摘要】：風(fēng)能是一種清潔的可再生能源,人類開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能已有數(shù)千年的歷史。隨著現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,風(fēng)能已經(jīng)成為世界上增長(zhǎng)最迅速、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)潛力和商業(yè)化前景的可再生能源。目前,風(fēng)電開(kāi)發(fā)已從陸上發(fā)展到海上,正致力于向遠(yuǎn)海深水區(qū)域發(fā)展。遠(yuǎn)海浮式風(fēng)力機(jī)(Floating Offshore Wind Turbine)是目前開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)海深水風(fēng)能最具潛力的新裝備,已成為國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。遠(yuǎn)海浮式風(fēng)力機(jī)按其獲得靜態(tài)穩(wěn)性的方式進(jìn)行劃分,可分為三種主要類型:立柱型(Spar-type)、半潛型(Semi-submiserable-type)和張力腿型(TLP-type)。其中,張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)具有優(yōu)良的綜合性能,對(duì)風(fēng)力機(jī)組性能影響較小,具有較大的開(kāi)發(fā)潛力和廣闊的規(guī)�；_(kāi)發(fā)利用前景。然而,與傳統(tǒng)安裝在陸上和海上淺水區(qū)域的固定式風(fēng)力機(jī)相比,遠(yuǎn)海浮式風(fēng)力機(jī)除了具有非定常空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)彈性等問(wèn)題外,還具有非線性水動(dòng)力學(xué)和大幅運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題,是一個(gè)十分復(fù)雜的空氣動(dòng)力-水動(dòng)力-控制-結(jié)構(gòu)彈性與系泊系統(tǒng)相耦合的多體系統(tǒng)。近年來(lái),國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了廣泛且深入的研究,并提出了多種不同型式的張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)概念。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)的研究尚處在前期階段,研究?jī)?nèi)容多集中于國(guó)外已有概念及其動(dòng)力特性上。從盡快掌握遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)角度講,急需開(kāi)展新型張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)概念設(shè)計(jì)及其耦合動(dòng)力性能等方面的理論計(jì)算與水池模型試驗(yàn)研究,從而為將來(lái)實(shí)際應(yīng)用這一新型裝備提供豐富的技術(shù)儲(chǔ)備�；诖�,論文采用了理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法,主要圍繞四個(gè)問(wèn)題進(jìn)行展開(kāi):一是新型多立柱張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)概念設(shè)計(jì)研究,二是張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)耦合動(dòng)力性能水池模型試驗(yàn)方法研究,三是張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)全耦合模型建立與耦合動(dòng)力響應(yīng)研究,四是浮式風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵部件的極限載荷和疲勞載荷計(jì)算方法研究。主要的研究工作與結(jié)論如下:提出了一種新型的多立柱張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)概念-SAFOWind,為開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)海深水風(fēng)能提供了一種新裝備。SAFOWind概念在設(shè)計(jì)中充分吸收了第二代張力腿平臺(tái)的諸多優(yōu)點(diǎn),具有小水線面、深吃水、多立柱以及外延式系泊等特點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)基本依據(jù)開(kāi)展了概念設(shè)計(jì)研究,提煉了概念設(shè)計(jì)流程,推導(dǎo)了張力腿式系泊系統(tǒng)剛度矩陣,得到了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)擬靜力性能與固有頻率的影響規(guī)律。優(yōu)化選取了預(yù)張力系數(shù),確定了總體方案、主要尺度以及最佳的浮體排水量,掌握了張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)的概念設(shè)計(jì)方法。模型試驗(yàn)結(jié)果表明:SAFOWind概念在波浪中具有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能,滿足了設(shè)計(jì)要求。采用了新型的拖航穩(wěn)性模塊,使其可以在船塢內(nèi)整體組裝,以濕拖方式整體運(yùn)輸至工作地點(diǎn)進(jìn)行安裝和輔助定位,從而能夠大幅節(jié)省海上作業(yè)時(shí)間,降低運(yùn)輸與安裝成本。此外,對(duì)基于5MW-SAFOWind方案建設(shè)遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電場(chǎng)的進(jìn)行了初步的造價(jià)分析,測(cè)算了每千瓦容量投資成本和每千瓦時(shí)電量投資成本等主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。開(kāi)展了完整的張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)耦合動(dòng)力性能水池模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中確立了需要滿足的相似準(zhǔn)則,深入分析了雷諾數(shù)效應(yīng)對(duì)模型葉片空氣動(dòng)力性能的影響。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足推力系數(shù)相似的模型葉片,有效地解決了浮式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)中空氣動(dòng)力載荷的尺度效應(yīng)問(wèn)題。設(shè)計(jì)了滿足剛度相似的塔筒模型,準(zhǔn)確模擬了塔筒結(jié)構(gòu)的柔性,提高了試驗(yàn)精度。通過(guò)將葉片三維翼型氣動(dòng)力系數(shù)與BEM理論相結(jié)合構(gòu)造了BEM-3D方法,模型試驗(yàn)結(jié)果表明:該方法相對(duì)傳統(tǒng)BEM-2D方法大幅提高了計(jì)算精度。在風(fēng)浪流水池中開(kāi)展了完整的模型試驗(yàn)研究(包括靜水衰減試驗(yàn)、白噪聲試驗(yàn)、風(fēng)載荷單獨(dú)作用試驗(yàn)、不規(guī)則波單獨(dú)作用試驗(yàn)、流載荷單獨(dú)試驗(yàn)以及風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用試驗(yàn)等),測(cè)定了SAFOWind概念的運(yùn)動(dòng)固有周期、阻尼以及運(yùn)動(dòng)RAO等,得到了工作工況和極限工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、機(jī)艙加速度以及張力腿張力等關(guān)鍵性能參數(shù),驗(yàn)證了SAFOWind概念的技術(shù)可行性�；诶碚摲治鼋⒘艘粋�(gè)包含風(fēng)輪、控制系統(tǒng)、塔筒、支撐平臺(tái)和張力腿式系泊系統(tǒng)的全耦合動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)將水池模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比較,驗(yàn)證并完善了數(shù)值計(jì)算模型。利用數(shù)值分析與水池模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了SAFOWind概念的耦合動(dòng)力性能,并開(kāi)展了耦合動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)影響分析,揭示了塔筒柔性、二階波浪載荷、浪向角度以及風(fēng)浪載荷對(duì)耦合動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:(1)塔筒柔性對(duì)于張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)的縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)具有較大的影響,能夠顯著地改變其縱搖運(yùn)動(dòng)固有頻率;(2)二階和頻波浪載荷對(duì)SAFOWind概念的縱搖運(yùn)動(dòng)高頻響應(yīng)影響十分顯著,從而對(duì)機(jī)艙縱蕩方向加速度、塔筒載荷和張力腿載荷的波動(dòng)具有比較重要的影響;(3)考慮一階和二階波浪載荷后的張力腿張力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,能夠有效地模擬張力腿張力的高頻彈振響應(yīng);(4)在風(fēng)、浪、流載荷聯(lián)合作用工況下,縱蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)小于波浪載荷單獨(dú)作用工況,即風(fēng)載荷和流載荷的存在對(duì)運(yùn)動(dòng)起到了一定程度的穩(wěn)定作用,增加了縱蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)的阻尼;(5)SAFOWind概念的平均輸出功率特性與固定式風(fēng)力機(jī)相近,在環(huán)境載荷與工作載荷作用下具有較小的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),顯示了良好的運(yùn)動(dòng)性能。研究了浮式風(fēng)力機(jī)極限載荷統(tǒng)計(jì)外推方法與時(shí)域疲勞載荷計(jì)算方法,改進(jìn)了局部最大載荷的提取方法。梳理了極限載荷和疲勞載荷時(shí)域計(jì)算流程,預(yù)報(bào)了多工況下關(guān)鍵部件的極限載荷和疲勞載荷。通過(guò)將分塊最大值法和過(guò)閾最大值法相結(jié)合,構(gòu)造了一種新的局部最大載荷提取方法,該方法可以在提取出足夠多數(shù)量的局部最大載荷的同時(shí)又能保證其相互獨(dú)立,提高了極限載荷統(tǒng)計(jì)外推法的計(jì)算效率。進(jìn)一步開(kāi)展了疲勞載荷計(jì)算參數(shù)影響分析,揭示了仿真時(shí)間長(zhǎng)度、風(fēng)湍流強(qiáng)度、二階波浪載荷以及風(fēng)浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:(1)風(fēng)湍流強(qiáng)度每增加一個(gè)等級(jí),相應(yīng)的塔筒根部俯仰力矩等效疲勞載荷會(huì)增大10%左右;(2)二階波浪載荷對(duì)于SAFOWind概念結(jié)構(gòu)疲勞損傷影響十分顯著,考慮二階波浪載荷后,波浪載荷單獨(dú)作用和風(fēng)浪載荷聯(lián)合作用工況相對(duì)于只考慮一階波浪載荷作用的工況其結(jié)構(gòu)疲勞損傷值分別增加了85%和25%;(3)風(fēng)浪載荷聯(lián)合作用所造成的結(jié)構(gòu)疲勞損傷值要遠(yuǎn)大于風(fēng)載荷與波浪載荷單獨(dú)作用以及二者疊加后的結(jié)果。最后與NREL-5MW固定式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了載荷計(jì)算比較分析,研究了SAFOWind概念浮動(dòng)特性對(duì)關(guān)鍵部件極限載荷和疲勞載荷的影響。綜上所述,在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)的支持下,提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型多立柱張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)概念,掌握了相關(guān)的耦合動(dòng)力性能預(yù)報(bào)技術(shù)和水池試驗(yàn)方法以及關(guān)鍵部件的極限載荷和疲勞載荷計(jì)算方法,得到了一些具有理論意義和實(shí)用價(jià)值的結(jié)論,為我國(guó)系統(tǒng)掌握張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM315;P752
【圖文】：

日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候變化，不斷威脅著人類的健康和安全。為了實(shí)的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要提高可再生能源占總能源的比重，促使當(dāng)前的能石能源向可再生能源進(jìn)行轉(zhuǎn)變�？稍偕茉窗ㄌ�(yáng)能、風(fēng)能、海洋能、水能、生物質(zhì)能和地?zé)崮艿�，其利用的風(fēng)能資源約為 200 億 kW，是可利用水能資源的 20 倍[1]。我國(guó)是資源最為豐富的國(guó)家，其可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量達(dá)到了 10 億 kW。同時(shí)界上最早開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能的國(guó)家之一，歷史上就有利用風(fēng)車提水灌溉、碾磨助航的悠久傳統(tǒng)。隨著近代電力技術(shù)的出現(xiàn)，利用風(fēng)能發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)）設(shè)備在近幾十年間得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。風(fēng)能已經(jīng)成為目前世界速、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)潛力和商業(yè)化前景的可再生能源。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)電設(shè)備。目前風(fēng)發(fā)展日趨成熟，風(fēng)力機(jī)正不斷向大型化發(fā)展。風(fēng)輪直徑已經(jīng)從 1980 年代的（60kW 風(fēng)機(jī)）迅速增長(zhǎng)到目前的 140 米量級(jí)（6MW 風(fēng)機(jī)），預(yù)計(jì)到 202直徑將突破 250 米（20MW 風(fēng)機(jī)）（見(jiàn)圖 1-1）。

圖 1-2 不同水深條件下的海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)型式選擇[3]Fig. 1-2 Offshore wind turbine substructure designs for varying water depths近海風(fēng)電場(chǎng)由于受到港口、航線和海洋牧場(chǎng)等近海功能區(qū)劃的限制，開(kāi)發(fā)空間有限，海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)已呈現(xiàn)出由近海向遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)（EWEA統(tǒng)計(jì)，截至 2016 年，海上風(fēng)電場(chǎng)平均水深和離岸距離達(dá)到了 29.2m 和 43.5 公里。遠(yuǎn)海深水區(qū)域相比近海具有更加豐富的風(fēng)能資源儲(chǔ)量而且風(fēng)速更加穩(wěn)定、視覺(jué)及噪聲污染小，近年來(lái)遠(yuǎn)海深水風(fēng)能開(kāi)發(fā)已成為風(fēng)電發(fā)展的重要方向。如圖 1-3 所示，隨著遠(yuǎn)海水深的進(jìn)一步增加，傳統(tǒng)近海風(fēng)力機(jī)所采用的固定式基礎(chǔ)的成本會(huì)急劇增加，浮式基礎(chǔ)是開(kāi)發(fā)深水風(fēng)能經(jīng)濟(jì)性最好的選擇[4]。

圖 1-2 不同水深條件下的海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)型式選擇[3]-2 Offshore wind turbine substructure designs for varying wate由于受到港口、航線和海洋牧場(chǎng)等近海功能區(qū)劃的限開(kāi)發(fā)已呈現(xiàn)出由近海向遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)歐洲風(fēng)6 年，海上風(fēng)電場(chǎng)平均水深和離岸距離達(dá)到了 29.2m近海具有更加豐富的風(fēng)能資源儲(chǔ)量而且風(fēng)速更加穩(wěn)遠(yuǎn)海深水風(fēng)能開(kāi)發(fā)已成為風(fēng)電發(fā)展的重要方向。如圖步增加，傳統(tǒng)近海風(fēng)力機(jī)所采用的固定式基礎(chǔ)的成本水風(fēng)能經(jīng)濟(jì)性最好的選擇[4]。

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本文編號(hào)：2800642