在全球的范圍內(nèi),海上風能的開發(fā)與利用正在以迅猛的速度增長。相對于近海淺水風能資源,近海深水水域風速更大且更加穩(wěn)定,利用空間更大,固定式風力機適應水深無法超過30m,海上浮式風力機概念在此背景下應運而生,且快速發(fā)展。海上浮式風力機系統(tǒng)處于復雜海洋環(huán)境中,不同于常規(guī)的陸地風力機和海洋采油平臺,其載荷和運動呈現(xiàn)復雜的非線性和非定常性。本文以海上浮式風力機為研究對象,利用葉素動量理論、完全細長體理論及懸鏈線理論等理論方法研究了浮式風力機系統(tǒng)載荷、動力響應預報以及風力機和浮體的響應特性。在風力機空氣動力研究方面,基于風力機坐標系統(tǒng)和海洋工程坐標系統(tǒng)建立了海上浮式風力機的坐標系統(tǒng);基于偏航葉素動量理論,采用動態(tài)入流模型和失速模型等對其進行了修正和補充,并考慮了浮式風力機動態(tài)運動引起的陀螺力矩,從而建立了完整的海上浮式風力機氣動載荷及性能數(shù)值模型,通過對比驗證,證明了該模型的準確性;以美國國家可再生能源實驗室(NREL)開發(fā)的5MW海上風力機為研究對象,分別研究了風力機姿態(tài)、速度變化、六自由度運動和控制系統(tǒng)對風力機氣動性能的影響,總結(jié)了各種因素對風力機氣動性能的影響規(guī)律。在系統(tǒng)的動力響應模型方面,根據(jù)歐拉角建立了系統(tǒng)時域非線性耦合動力學方程,根據(jù)海上風力機的復雜環(huán)境,考慮風剪切效應、塔影效應和湍流風效應,建立了風環(huán)境;根據(jù)風力機氣動載荷數(shù)值模型和海洋工程風載荷模型建立了浮式風力機的風載荷模型;考慮了規(guī)則波、隨機波浪和海流作用,基于非線性細長體理論建立水環(huán)境和水動力載荷模型;基于準靜態(tài)懸鏈線理論建立了系泊系統(tǒng)模型,形成了完整的海上浮式風力機系統(tǒng)動力響應數(shù)值模型,并以此分析了一種鉸接式平臺的水動力響應特性。在鉸接式海上風力機設計及響應特性方面,參考各種海洋平臺形式并分析固定式基礎的限制條件,提出了一種鉸接式海上風力機概念,并分析了這一概念的優(yōu)點�；贜REL 5MW風力機設計了鉸接式平臺的基本參數(shù),根據(jù)環(huán)境條件分別分析了定常風和規(guī)則波對鉸接式海上風力機的影響特性。在隨機風浪環(huán)境條件下分析了系統(tǒng)運動響應特性和風力機響應特性,總結(jié)了風浪環(huán)境對風力機系統(tǒng)的影響規(guī)律。在海上浮式風力機試驗研究方面,綜合風力機風洞試驗和海洋工程試驗的縮尺方法,提出了以Froude數(shù)為基準的縮尺準則,給出了海上浮式風力機試驗中的重要參數(shù)的縮尺,論述了 Reynolds數(shù)的影響�；谠囼灷碚摵蛯嶒炇噎h(huán)境條件,設計了鉸接式海上風力機試驗模型,給出了試驗方案,探索了以定常載荷模擬風力機氣動載荷的試驗方法,分析了該方法的適用性和局限性。進行了自由衰減、規(guī)則波響應和隨機波浪響應試驗,驗證了鉸接式概念的可行性和數(shù)值方法的準確性。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：TK83
【部分圖文】：

．．由于風力機距離海面近百米（５ＭＷ風力機機艙距離海面９０ｍ），海上浮式風力重心位置高，承受復雜的海洋環(huán)境（圖１．４），各種環(huán)境均會導致風力機的非定常響應，逡逑系統(tǒng)的流體動力特性和規(guī)律有待研究。逡逑１．２上式力

．．目前，關于海上浮式風力機的設計主要集中于日本、美國和歐盟國家，現(xiàn)有的海上逡逑浮式風力機設計項目見表Ｕ。逡逑目前，世界范圍內(nèi)已安裝了邋８臺海上浮式風力機示范樣機。２００８年，意大利風電場逡逑采用英國Ｂｌｕｅ邋Ｈ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司提出的深海浮式風能開發(fā)方案，開創(chuàng)了海上浮式風力逡逑機樣機安裝示范的先例。該樣機位于意大利東南部海域，離岸２０ｋｍ邋［１（Ｍ１１。ｋ力機功率逡逑為８０ｋＷ，安裝水深為１０８ｍ，如圖１．７邋（ａ）所示，該海上風力機采用了邋ＴＬＰ浮式平臺。逡逑

邐第１章緒論邐逡逑轉(zhuǎn)到欖島附近水域（圖１．７（ｆ）），該海域常年風速大于７．５ｍ／ｓ，波高小于ｌｍ的概率大于逡逑８９％［１８］。該樣機為ｌＯＯｋＷ縮尺樣機，采用下風向風力機，利用三根懸鏈線系泊。該樣逡逑機在進行腐蝕、磨損及環(huán)境影響評估后可能會移除，其２ＭＷ的全尺度樣機預計在２０１３逡逑年建成。逡逑２０１１年，美國開發(fā)的ＷｉｎｄＦｌｏａｔ安裝了海試樣機，樣機為單個Ｖｅｓｔａｓ邋Ｖ８０－２．０ＭＷ風逡逑力機，系泊線選擇錨鏈與聚酯纜的組合形式［１９］。安裝位置在葡萄牙北部的大西洋，與逡逑Ａｇｕｆａｄｏｕｒａ距離５ｋｍ，安裝水深４３ｍ，排水量１２００ｔ，如圖１．７（ｇ）所示。與其他樣機不逡逑同的是，該樣機采用了循環(huán)水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在不同風向時調(diào)節(jié)壓載分布，保證系統(tǒng)在較小逡逑范圍內(nèi)傾斜。逡逑基于已有的設計和試驗數(shù)據(jù)，美國}煲蛑萘⒋笱в冢玻埃保襯輳對略趠煲蟯灝滄傲艘誨義咸ǎ保海傅模模澹澹穡茫鰨椋睿溲郟玻牽藎繽跡保罰ǎ瑁８醚翹逵苫炷林瞥�，支撑２０ｋＷ的帆k義狹敲攔諞惶ú⑼⒌緄母∈椒緦郟玻保蕁ｅ義

本文編號：2818564