三浮体风电平台浮式基础和塔架动力响应分析

摘要

21世纪以来的科技迅猛发展导致了能源的剧烈消耗，传统的化石能源的使用又伴随着大量的污染从而加速了环境的恶化。寻找清洁而高效的新型能源就成为各个国家的重要关注点。风能作为一种新型能源，具有储备量大、利用率高、技术发展成熟等特点。一般地，风力发电技术分为陆地风力发电和海上风力发电。相比陆地风电，海上风电起步较晚，技术难度大，但海上风能更加丰富和强大，因而更具研究价值，故本文选取海上风电作为研究对象，主要研究了海上风电浮式平台和塔架的问题。　　根据目前的主流研究模型，采用美国可再生能源实验室(NREL)的三浮体风机平台（OC4-DeepCwindSemi）为研究基础，对其公布的风机数据进行建模，并使用FAST软件进行时域模拟，计算分析了三浮体平台在规则波和不规则波中的时域动力响应特性。在此基础上，按照缩尺比制作了相应的测试模型并进行了水池试验，测得了模型的运动特性数据。最后，将数值模拟和水池试验结果进行比较，发现风速和波浪对于风机动力响应的影响变化趋势基本一致，验证研究具有一定合理性。本文的具体研究内容如下:　　(1)分析了浮式风力机的发展前景和类型，并选取三浮体风机平台为研究目标。　　(2)使用FAST软件进行时域模拟分析，分别分析了无风情况下、平均海风(8.7m/s)情况下、风机额定风速下(11.4m/s)和不规则波浪不同入射角度下的风机动力响应，得出了54种工况下风机平台和塔架动力响应曲线，发现当海浪波长接近平台长度时，塔架振动位移最大;而塔架振动在波浪入射角为75°时较为剧烈，最大值可达2.93m。但整体上平台的动力响应受波浪入射角变化影响不明显。　　(3)以FAST软件模拟的三浮体风机平台为基础，按照1∶30的比例制作水池测试模型，按照设计的54种试验工况开展水池试验研究。可以发现，在单独波浪作用下，塔架切向和塔架拍向的位移变化随着波长呈现减小趋势;在风浪联合作用下时，塔架受到风载荷影响，位移变化与波长成一种非线性关系，在考虑风载荷的影响后，风机动力响应有比较明显的随波长变化趋势。经数据结果对比，发现试验结果与数值模拟结果基本吻合，验证了设计的合理性。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景与意义

1．2海上风电平台发展现状及前景

1．2．1国外海上风电平台发展现状

1．2．2国内海上风电平台技术发展现状

1．3海上风电结构形式研究

1．3．1浮式风电平台形式

1．3．2浮式平台研究现状

1．4风力机数值模拟软件技术

1．5本文关键技术与主要工作内容

1．5．1关键技术

1．5．2主要工作内容

第二章海上浮式风电机组的载荷理论

2．1风力机的气动理论

2．1．1风场的描述

2．1．2叶素-动量理论

2．1．3假设模态法

2．2波浪载荷计算理论

2．2．1 Airy波浪理论

2．2．2随机波浪理论

2．2．3小尺度构件上的波浪载荷计算

2．2．4三维势流理论

2．3海流载荷的理论计算

2．3．1海流速度

2．3．2海流载荷计算

2．4系泊载荷的计算

2．5本章小结

第三章浮式风电平台设计与水动力矩阵计算

3．1 5MW浮式风电平台基础结构

3．1．1叶片参数

3．1．2塔架参数

3．1．3浮体平台参数

3．1．4锚泊参数

3．2 SESAM软件计算水动力矩阵

3．2．1建立模型

3．2．2计算求解

3．3本章小结

第四章浮式风电平台时域分析

4．1 FAST软件

4．1．1软件输入所需要的文件

4．1．2结果数据参数

4．2规则波作用下的时域分析

4．2．1计算工况选择

4．2．2无风时的时域计算结果分析

4．2．3平均风速下的时域计算结果分析

4．2．4额定风速下的时域计算结果分析

4．3不规则波作用下的时域分析

4．3．1计算工况选择

4．3．2时域计算结果分析

4．4本章小结

第五章浮式风电平台模型水池试验

5．1模型试验

5．1．1相似性准则

5．1．2模型尺寸参数

5．2试验条件及设备

5．2．1水池环境

5．2．2测试设备

5．3试验工况选择

5．4单波浪状态下试验结果与模拟结果对比分析

5．5额定风速下试验结果与模拟结果对比分析

5．6不同风速下平台响应运动特性试验结果分析

5．7本章小结

第六章总结与展望

6．1主要研究工作总结

6．2展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果