【摘要】：隨著煤、石油、天然氣等常規(guī)能源的日益短缺,以及環(huán)境污染的不斷加重,調(diào)整能源結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)能作為一種安全、清潔、儲量豐富的可再生能源,已成為國際可再生能源開發(fā)的主要方向。目前對風(fēng)能的主要利用形式為風(fēng)能發(fā)電,由于陸地適于安裝風(fēng)電機(jī)組的地域有限,同時(shí)會侵占寶貴的土地資源,帶來一定視覺和噪聲污染,且考慮到海洋風(fēng)能比陸上風(fēng)能儲量更加豐富,因此海洋風(fēng)能已成為風(fēng)能開發(fā)的新趨勢。考慮到近岸區(qū)域海岸線利用的限制以及深海區(qū)域豐富的風(fēng)能儲量,海上風(fēng)電逐漸向深海發(fā)展。在水深超過60m的海域,使用固定式風(fēng)機(jī)會大幅增加建造成本,而采用浮式風(fēng)機(jī)可以有效解決這一問題。目前常見的浮式風(fēng)機(jī)主要包括半潛型、Spar型、TLP型和混合型等。浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、浮式基礎(chǔ)、系泊系統(tǒng)等幾部分組成,在作業(yè)過程中受到空氣動力、波浪力和系泊系統(tǒng)系泊力的共同作用,受力非常復(fù)雜。同時(shí)深海海域的海況比較惡劣,系統(tǒng)在運(yùn)動過程中可能會出現(xiàn)失穩(wěn)、傾覆等問題,需要對系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析。耦合分析可以充分考慮系統(tǒng)各部分間的相互影響,對浮式風(fēng)機(jī)的運(yùn)動響應(yīng)做出更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào),為風(fēng)機(jī)平臺和系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。本文建立了一種時(shí)域耦合分析方法對浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全耦合運(yùn)動響應(yīng)分析,主要包括空氣動力模塊、水動力模塊和系泊系統(tǒng)模塊。空氣動力模塊采用CFD方法模擬風(fēng)機(jī)葉輪受到的風(fēng)載荷,并通過NARMAX理論建立風(fēng)載荷模型;水動力模塊采用勢流理論,通過自由面GREEN函數(shù)法計(jì)算浮體的頻域水動力系數(shù),再將結(jié)果轉(zhuǎn)換到時(shí)域;系泊系統(tǒng)模塊采用錨泊線理論,用三維有限元方法對撓性部件進(jìn)行分析;系統(tǒng)的運(yùn)動采用Newmark-β方法求解。在此基礎(chǔ)上,針對一深海Spar型浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同工況下建立耦合模型并進(jìn)行計(jì)算,得出風(fēng)載荷模型、浮式基礎(chǔ)的水動力系數(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)和系泊纜索張力響應(yīng)。該耦合模型的計(jì)算結(jié)果可為風(fēng)機(jī)和系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。
【圖文】：

風(fēng)電雖然起步較晚，但得益于豐富的海上風(fēng)能資源和政策扶持展，我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。以東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)歐洲之外的第一個(gè)海上風(fēng)電并網(wǎng)項(xiàng)目，也是中國第一個(gè)國家級，共布置 34 臺華銳風(fēng)電 3MW 風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量達(dá) 102MW，正式并網(wǎng)發(fā)電[4]。未來幾年，我國海上風(fēng)電還將保持快速發(fā)展的上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也面臨一定的難題：海上風(fēng)電成本高、投資風(fēng)險(xiǎn)大持；規(guī)劃困難，管理制度不健全；技術(shù)相對落后，無論是海上生產(chǎn)還是安裝、維護(hù)，與世界先進(jìn)水平還存在較大的差距，無速發(fā)展的步伐。因此，在海上風(fēng)電領(lǐng)域，中國還有很長的路要風(fēng)機(jī)主要分固定式和浮式兩種。在淺水區(qū)域（水深小于 50m），式的風(fēng)機(jī)，因?yàn)楣潭ㄊ交A(chǔ)結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低。但由于，隨著海上風(fēng)電場規(guī)模的擴(kuò)大、機(jī)組數(shù)量的增加，近海區(qū)域逐上風(fēng)機(jī)不可避免地向深水區(qū)域發(fā)展。隨著水深的增加，固定式著增加，而浮式風(fēng)機(jī)的系泊系統(tǒng)相比固定式基礎(chǔ)成本低，且適深海風(fēng)能開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文供恢復(fù)力。隨著水深的增加，躺底式系泊纜的長度和重量相應(yīng)增大，需要平外提供更大的浮力，因此平臺的主尺度增加，增加了建造難度和成本；此外據(jù)懸鏈線方程，水深越深系泊系統(tǒng)在水平方向會覆蓋越大的水域，嚴(yán)重影響域的通航情況，同時(shí)給海底管線的鋪設(shè)增加難度。張緊式系泊主要應(yīng)用于深域，系泊纜在預(yù)張力的作用下呈繃緊狀態(tài)，，依靠系泊纜張力提供恢復(fù)力，由根系泊纜在下端點(diǎn)處與海底呈一定角度的相交，因此該點(diǎn)同時(shí)受到水平方向豎直方向力。張緊式系泊的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋水域范圍小，而且系泊纜可以采用高的合成材料，從而有效減少整個(gè)系泊系統(tǒng)的重量。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM614;TK83;P752

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2698312