【摘要】：隨著全球持續(xù)增長(zhǎng)的對(duì)于能源的需求以及人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)的愈加重視,清潔能源成為目前研究和發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。風(fēng)能和太陽(yáng)能是目前最被看好的能應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域的新能源。由于傳統(tǒng)的海底固定式的離岸浮式風(fēng)機(jī)在深水中成本會(huì)顯著增加,工業(yè)界和研究者于是逐漸將目光轉(zhuǎn)向漂浮式的風(fēng)力機(jī)。本文的研究對(duì)象為深水單柱式浮式風(fēng)力機(jī),它可以布置在遠(yuǎn)離海岸線的海域,并且足夠接近人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海城市。這樣有利于捕獲穩(wěn)定和強(qiáng)勁的風(fēng)能,也利于能源的傳輸。海上浮式風(fēng)力機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng),對(duì)于浮式風(fēng)機(jī)的研究涉及多學(xué)科交叉,包括空氣動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)(彈性)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)。由于浮式風(fēng)機(jī)數(shù)值模型的復(fù)雜性,國(guó)際上各研究機(jī)構(gòu)的仿真軟件/程序的準(zhǔn)確性和可靠性,需要實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。然而由于各公司/研究機(jī)構(gòu)對(duì)于數(shù)據(jù)專屬權(quán)的保護(hù),國(guó)際上實(shí)測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的公布十分缺乏。因此,為了滿足國(guó)際上現(xiàn)有浮式風(fēng)機(jī)仿真軟件/程序的急切驗(yàn)證需要,也為了對(duì)單柱式浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)特性和耦合特征進(jìn)行深入分析。作者在上海交通大學(xué)海洋深水試驗(yàn)池進(jìn)行了基于200m實(shí)型水深的單柱式浮式風(fēng)機(jī)1:50縮尺比的水池模型試驗(yàn)。本文突破了傳統(tǒng)海洋工程浮式結(jié)構(gòu)物模型試驗(yàn)技術(shù)在開展浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)研究方面的瓶頸,創(chuàng)新性地提出一套浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)技術(shù)。包括動(dòng)力相似準(zhǔn)則考慮、葉輪旋轉(zhuǎn)控制技術(shù)、葉片制作技術(shù)、開放水池空間條件下的風(fēng)場(chǎng)模擬技術(shù)、風(fēng)機(jī)塔架彈性體模擬技術(shù)和質(zhì)量控制技術(shù)。并在此基礎(chǔ)上,對(duì)于單柱式浮式風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了較為全面的研究,分析了運(yùn)動(dòng)、風(fēng)機(jī)/塔架載荷、錨鏈張力之間的耦合作用和響應(yīng)特征。對(duì)單柱式浮式風(fēng)機(jī)在均勻流下的VIM特性進(jìn)行了深入研究,分析了風(fēng)浪載荷對(duì)于浮式風(fēng)機(jī)VIM響應(yīng)的特殊影響。在水池模型試驗(yàn)中創(chuàng)新性地使用了在低Re下有著更好C_t,C_p性能的推力相似葉片,并和常規(guī)的幾何相似葉片的浮式系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比,研究了這種葉片對(duì)于浮式系統(tǒng)復(fù)雜動(dòng)力響應(yīng)行為的影響。綜合空氣動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的機(jī)理研究,建立了浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。并在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能預(yù)報(bào)的計(jì)算程序DARwind,該程序由空氣動(dòng)力學(xué)模塊、水動(dòng)力學(xué)模塊和動(dòng)力學(xué)模塊組成,能實(shí)現(xiàn)時(shí)域下的統(tǒng)一耦合計(jì)算�；谠囼�(yàn)中的浮式風(fēng)機(jī)參數(shù),在DARwind和FAST數(shù)值仿真程序及軟件中建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,計(jì)及了試驗(yàn)中傳感器及其線纜的影響、試驗(yàn)環(huán)境低雷諾數(shù)的影響、塔架的彈性等,通過試驗(yàn)和數(shù)值的對(duì)比,驗(yàn)證仿真程序/軟件的準(zhǔn)確性。
【圖文】：

多沿海國(guó)家安裝海上風(fēng)機(jī)，海上風(fēng)電成為風(fēng)能開發(fā)的熱點(diǎn)[9]。這是風(fēng)機(jī)而言，海上風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用有如下的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：上風(fēng)力機(jī)離岸較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的視覺和噪音污染更小，對(duì)人類日常生活影上風(fēng)場(chǎng)不僅風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，而且更強(qiáng)勁也更穩(wěn)定，適合安裝大的大型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)。占用有限的陸地空間，海上風(fēng)場(chǎng)建設(shè)不受空間的限制，可建大型的發(fā)電量非�？捎^。且沿海的風(fēng)能開發(fā)更靠近經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源需求旺。風(fēng)力機(jī)根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)形式的不同分為固定式和漂浮式兩種，目前海上及研究主要還是借鑒海上油氣平臺(tái)的形式和技術(shù)。固定式海上風(fēng)力機(jī)是便于管理、維護(hù)和電力傳輸。但是隨著水深的增加，固定式海上及建造成分將急劇增加，而漂浮式風(fēng)力機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性[11]。圖 種情況[9]。

大學(xué)博士學(xué)位論文 第 1 章 緒浮式風(fēng)力機(jī)（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）的概念最早由 MImus 教授提出[12]。海上浮式風(fēng)機(jī)可看做是風(fēng)力機(jī)與浮式平臺(tái)的結(jié)合，根據(jù)浮式不同，主要分為單柱式、半潛式和張力腿式浮式風(fēng)機(jī)[13]，如圖 1-2 所示。其式風(fēng)機(jī)由于壓載艙位于浮體下部，使得其重心很低，從而平臺(tái)具有非常好的穩(wěn)固有周期通常遠(yuǎn)離海洋能量集中頻帶，在波浪載荷下會(huì)十分穩(wěn)定，安全性性能良單柱式平臺(tái)造價(jià)低、便于拖曳和安裝，靈活性好。因此國(guó)際上對(duì)于單柱式這種研究熱情也十分高漲，世界上第一臺(tái)由挪威石油公司研究設(shè)計(jì)的、正式投入運(yùn)機(jī) Hywind，就是采用單柱式 Spar 的支撐結(jié)構(gòu)�？紤]到我國(guó)南海嚴(yán)峻的海況和適合單柱式浮式風(fēng)機(jī)的布置和使用。這也是為何本文選擇單柱式這種支撐平機(jī)作為研究對(duì)象的原因。
【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】：2017
【分類號(hào)】：TK83

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2701544