两种常用漂浮式风力机平台动态特性分析

分别针对MIT/NREL TLP和Umaine-Hywind Spar两种海上风力机浮式平台主体的水动力特性进行研究,旨在分析两者的系泊稳定性.基于海洋水动力学和结构动力学理论,建立了平台/缆索系统耦合模型,在水深和外界载荷激励相同的情况下,利用有限元分析ANSYS软件中的水动力学计算模块进行时域、频域响应分析,研究了两种平台在海风、海流和随机波联合作用下的动态响应,并分析了两种平台随波浪频率的响应变化.结果表明:MIT/NREL TLP平台的动态响应较大,而Umaine-Hywind Spar平台动态响应较小;两平台均在低频波浪作用下产生响应峰值.     

浮式风机半潜式平台动力响应研究

浮式风机已成为开发海上风能的新趋势。文章基于OC4-DeepCwind半潜式平台,设计了一种具有倾斜立柱的新型半潜式平台,并根据势流理论对上述两种平台的水动力性能进行了频域与时域的对比分析及可靠性验证。同时研究了缆索数量、缆索连接点高度与锚固点位置对平台运动响应的影响,提出了一种优化系泊系统的新平台。研究结果表明:新平台的质量与排水体积大大降低;新平台纵荡、垂荡与纵摇RAO峰值明显减小,垂荡固有周期增加,能有效防止共振现象发生;新平台的垂荡与纵摇明显降低,纵荡的改变较小;与原有系泊系统相比,优化后系泊系统的纵荡运动响应与缆索张力明显下降。     

半潜式波浪能养殖平台与系泊系统的耦合动力分析

以“澎湖号”半潜式波浪能养殖平台为研究对象,开展养殖平台及其系泊系统在浪、流联合作用下水动力性能的研究。基于三维势流理论,应用一阶泰勒展开边界元方法对其频域水动力进行计算,研究不同浪向下平台的运动响应和二阶波浪漂移力。采用间接时域分析方法和异步耦合方法实现平台和系泊系统的时域耦合动力求解,对不同浪流组合工况下平台的时域运动与锚链张力进行分析。研究表明,在南海常规海况中平台稳定性较好,立柱间水动力干扰尤为明显,顺浪时平台所受的二阶波浪漂移力最小。在与系泊系统的耦合作用下,平台的横摇与纵摇运动受入射波浪向的影响较大,入射波波高对顺浪下的平台横摇运动和横浪与斜浪下平台纵摇运动影响明显。     

基于升力面自由尾迹的深海浮式风力机全耦合模型仿真研究

采用基于升力面自由尾迹的气动预测方法构建浮式风力机全耦合模型,采用多体系统动力学模型描述浮式风力机系统的运动响应,基于准静态假设计算系泊系统的系泊力,基于改进Morison公式计算水动力.结果 表明:采用全耦合模型计算得到的叶尖涡轨迹预测值与实验值吻合良好;基于全耦合模型预测得到的浮式风力机运动轨迹与FAST计算结果吻合良好;在风波联合作用下可观察到较为明显的气动-水动耦合现象.     

近海深水区混凝土半潜型浮式风机一体化计算与耦合动力特性分析

[目的]文章旨在探索10 MW级半潜型浮式风机的一体化计算方法并分析其在40～50 m近海深水区的耦合动力响应特性。[方法]以10 MW混凝土半潜型浮式风机为例,构建一体化时域数值计算模型,统计分析其额定发电和极端工况下的平台动力响应和系泊张力特征。[结果]平台水平运动主要受波浪荷载、风荷载和系泊刚度特性的影响,最大水平运动和系泊张力发生在生存工况,垂向运动主要受波浪荷载影响,摇摆运动的均值主要受风荷载影响,上述浮式风机动力响应均满足设计指标。[结论]一体化数值计算方法较好地考虑浮式风机耦合动力特性,由于水深限制,近海深水区的海上漂浮式风机对水平运动约束和系泊非线性问题的优化更为重要,响应极值主要发生在极端工况,上述结论为此类漂浮式海上风机基础结构的研究与设计工作提供了一定的参考。     

超浅水浮式波浪能发电装置弹性系泊系统及水动力性能的数值与模型试验研究

超浅水环境下浮式波浪能发电装置系泊系统性能的优劣直接影响装置在极限海况下的生存性和工作海况下的波浪能俘获性。针对波能装置运动特点和岛屿周边海域经济性开发的需要,设计一套适合超浅水环境的自动对浪型多点弹性系泊系统,并在系泊线中加入非线弹性拉伸材料——高弹性索。首先以鹰式波浪能装置为系泊对象,给出混合高弹性索和聚酯纤维系泊系统2种设计方案,通过对比分析,发现高弹性索可有效降低锚泊线的最大张力和普通锚链的用量,减轻系泊系统重量。混合高弹性索系泊系统用于超浅水环境下的浮式波浪能装置更具优越性。在此基础上,对极限工况下混合高弹性索系泊鹰式和细长体波浪能装置水动力性能进行时域耦合和水池模型试验研究。研究表明混合高弹性索多点弹性系泊系统能满足一般浮式波浪能装置在浅水大漂移载荷等恶劣海况下对锚泊系统的要求。     

新型张力腿平台双模块浮式海上风电机组结构系统的动力响应研究

从浮式海上风电机组的全寿命设计角度出发,以此类风电机组便于安装、替换、维修和拆除为目标,提出了一种新型张力腿平台双模块浮式海上风电机组结构系统。基于BEM方法研究了采用该结构系统的海上风电机组的叶片的气动性能,并综合考虑了风电机组浮体模块和张力腿平台模块的多体机械耦合和水动力耦合效应。选取海上风电机组4种典型工作海况,将新型张力腿平台双模块浮式海上风电机组结构系统与常规张力腿平台单体浮式海上风电机组结构系统的主要动力响应特征进行了对比分析,揭示了该新型张力腿平台双模块浮式海上风电机组结构系统可以有效降低浮式海上风电机组平台的纵荡位移响应,对改善浮式海上风电机组的运行性能具有积极意义。此外,还对该双模块结构系统拆除风电机组的可行性进行了初步验证。     

组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台影响的研究

研究新型组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊张力特性的影响。建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL5 MW漂浮式风力机整机模型,综合考虑叶片空气动力载荷、平台的水动力载荷及平台与系泊系统的耦合。首先验证水动力学模型的可靠性,然后分析组合弹性系泊对动态响应及系泊张力的影响。结果表明:组合弹性系泊会使平台纵荡增大25.5%,但系泊张力、垂荡和纵摇却会分别减小14.0%、20%和18.1%;弹性索位置对动态响应及系泊张力影响不大;随弹性索长度的增加,平台纵荡响应增加34.0%,平台垂荡和系泊张力分别减小25.0%和7.3%。     

系泊配重对浅水区浮式风力机动力学响应的影响

安装于浅水区域的浮式风力机,需采用配重增强系泊恢复力和平台运动稳定性。为了获取有效的系泊配重设计,文章首先通过AQWA和OpenFAST开发了通用的浮式风力机一体化仿真程序OpenF2A,并基于WindFloat概念进行了重新设计,得到了偏心式平台设计方案;然后计算了风-浪联合作用下5 MW浮式风力机平台运动和系泊张力,定量分析了系泊配重质量的影响。结果表明：在不同风况下,配重对平台运动和系泊张力的影响一致;配重可降低平台纵荡,配重质量越大,纵荡越小;在额定风速下,当配重为65 t时,平台纵荡最大值和平均值分别降低了33.1%和49.1%;配重质量对下风向系泊张力影响较大,可增大系泊张力1倍以上。     

人工鱼礁-波浪能模块化浮体耦合动力响应分析

为综合利用海洋空间资源、生物资源以及可再生能源,该文提出一种基于张力腿平台的新型六边形浮体、浮式人工鱼礁以及波浪能装置（WEC）的集成结构系统。基于势流理论,并考虑六边形浮体与浮式人工鱼礁之间的多体水动力耦合效应和机械耦合效应,建立该集成结构系统的耦合时域分析模型。对浮式人工鱼礁和波浪能装置的主要设计参数进行初步优化,重点研究该新型集成结构系统在典型海况下的动力响应和波浪能发电特征,揭示了外侧浮式人工鱼礁可有效减弱作用于内侧六边形浮体结构的波浪载荷,并产生可观的波浪能能源供给。此外,还进一步验证了该集成结构系统在极端海况下的安全性能。     

新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究,得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明:频域分析中,新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域,其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s;TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应;横荡、垂荡及纵摇方向上,TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼;时域分析中,4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计,能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命;随着海况恶劣程度的加剧,TLP风力机的动态响应也随之增大。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

Hydrodynamics-based floating wind turbine support platform optimization: A basis function approach

The floating wind turbine support structure design problem is complicated by conflicting technical objectives and innumerable platform geometry options. Previous support structure optimization studies have been limited in their ability to evaluate the full design space due to their adherence to certain assumptions about the physical platform configuration. The present work is an effort toward developing an alternative form of the support platform optimization problem – one that abstracts details of the platform geometry and deals instead with hydrodynamic performance coefficients – in order to provide a more complete and intuitive exploration of the design space. A basis function approach, which represents the design space by linearly combining the hydrodynamic performance coefficients of a diverse set of basis platform geometries, was taken as the most straightforward way of physically constraining the platform hydrodynamic performance. Candidate designs are evaluated in the frequency domain using linearized coefficients for the wind turbine, platform, and mooring system dynamics. The platform hydrodynamic coefficients are calculated according to linear hydrodynamic theory. The optimization objective is to minimize the nacelle acceleration under several operating conditions. Optimization results for a slack catenary mooring system indicate the benefits of combining submerged volume with a widely dispersed water plane area. Results for a tension leg mooring system are consistent with conventional TLP designs. The intent is to use these results as starting points for more traditional platform parameter optimization. Examination of the possible physical interpretations of linearly combining basis platform coefficients reveals that certain aspects of this approach may have poor physicality. This points to the need to expand this first attempt with more sophisticated ways of representing the constrained hydrodynamic performance variables.     

半潜式平台漂浮式风力机阵列平台普通海况动态响应研究

为保证漂浮式风电场在环境载荷复杂的海洋环境中稳定正常工作,以半潜式平台为研究对象,建立了基于Umarine Semi Submersible平台的阵列式风电场。通过FORTRAN程序语言求解气动载荷,采用水动力学软件AQWA,基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,研究了风波耦合作用下半潜式平台时频动态响应。结果表明：阵列半潜式平台漂浮式风电场可有效提升平台抗首摇、横摇能力;固定悬链线可降低平台横荡运动幅值与纵荡响应;共用系泊系统的阵列平台机舱振动稳定性更佳。     

多工况下漂浮式风力机张力腿平台时域响应及系泊强度分析

为研究漂浮式风力机张力腿平台在风、浪、海流载荷联合作用下的时域响应及系泊受力特征,建立漂浮式风力机及张力腿平台模型,采用有限元方法,对比分析无风、额定、最大及极限工况下张力腿平台运动响应及系泊受力。4种工况作用下,极限停机工况时漂浮式平台运动响应最大,最大作业工况其次,额定作业工况再次,无风作业工况最小;但在最大工况时系泊作用力最大。结果表明:运动响应主要集中在纵荡,垂荡和纵摇方向;作业工况越恶劣,漂浮式平台运动响应越大;系泊张力在最大作业工况时最大,但小于系泊断裂极限。     

南海海况下半潜浮式风机在故障工况下的动力学响应分析

  [目的]  作为新型清洁可再生能源,风力发电的发展备受瞩目。随着风力发电由陆上向海洋发展,海上浮式风电发展迅速。  [方法]  以南海海况下半潜浮式风机为研究背景,采用ANSYS-AQWA分析软件,对浮式风机在南海典型海况下的动力学响应进行了分析。采用等效载荷法模拟空气动力荷载,采用势流理论计算水动力荷载和系泊系统的锚链荷载。  [结果]  研究表明:当单根锚链发生断裂时,浮式风机的纵荡和运动会大幅增加,可能会引起平台失控。当两根锚链断裂时,在一定时间内,运动响应会适当增加。因此建议采用冗余系泊系统,即单组多根锚链,从而在单根锚链失效后为更换锚链赢取时间。  [结论]  研究成果为我国深海浮式风电的开发提供了一定的参考。对于舱室破损工况的破损机理及数值模拟方法,有待进一步的研究。     

Impact of mooring lines dynamics on the fatigue and ultimate loads of three offshore floating wind turbines computed with IEC 61400‐3 guideline

The calculation of loads for floating offshore wind turbines requires time‐domain integrated simulation tools where most of the physical concepts involved in the system dynamics are considered. The loads at the different components are used for the structural calculation and influence the design noticeably. This study quantifies the influence of mooring dynamic models on the calculation of fatigue and ultimate loads with integrated tools and compares its performance with a lower computational cost quasi‐static mooring model. Three platforms representing the principal topologies (spar, semisubmersible and tension‐leg platform) were assumed to be installed at the same 200 m depth location in the Irish coast. For each platform, the fatigue and ultimate loads were computed with an integrated floating wind turbine simulation code using both, a quasi‐static and a fully dynamic moorings model. More than 3500 simulations for each platform and mooring model were launched and post‐processed according to the IEC 61400‐3 guideline in an exercise similar to what a certification entity may require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs; the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept; and the mooring lines tensions strongly depend on the lines dynamics, both in fatigue and extreme loads for all the platform concepts evaluated. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.