强非线性波作用下海上风机动力特性模型试验研究

目的  单桩式基础是目前近海海上风电场应用最广泛的支撑结构。中国海洋环境多为浅水和中等水深,受到非线性波浪影响较为明显。与行进波相比,聚焦波可以在短时间内形成一个作用在桩柱上、比常规波浪力大的冲击力,从而影响海上风机的运行性能和疲劳寿命。文章旨在探究强非线性波浪作用下海上风机单桩基础荷载特性,掌握聚焦波与基础相互作用规律,为工程设计提供参考。 方法  文章采用水池模型试验的方法对NREL 5 MW单桩海上风机开展研究,缩尺比例为1∶80。结合我国东部沿海风电场的海洋环境条件,选取了三种典型聚焦波模型,通过浪高仪器和测力天平分别记录了不同工况下单桩周围波浪爬高和底部受力变化情况。 结果  结果表明：桩基所受的水平波浪力具有很强的瞬态性;单桩基础所受水平波浪力在聚焦波的作用下会突然增大,在波谷会受到反向冲击力。 结论  文章揭示了聚焦波引起的海上风机单桩基础荷载变化规律,证实了非线性波浪对于风机基础动力特性的重要影响,相关成果具有较高的理论和工程应用价值。     

海上风机塔架和单桩一体化试验设计方法

  目的  国内海上风电项目的业主在招主机标时,对风机厂商提供的基础顶载荷和塔架质量提出要求,在招设计标时很少对设计院提供的基础质量提出要求;详细设计阶段时风机厂商和设计院分别对塔架和基础进行设计,因此通常难以得到塔架和基础总质量最小的全局最优设计。  方法  提出了海上风机塔架和单桩一体化试验设计方法,通过对某海上风电项目进行试验设计得到多个不同塔架构型、塔底和单桩直径的设计方案,并通过载荷计算、塔架和单桩设计迭代优化得到相应的基础顶载荷、塔架质量和单桩质量等结果。  结果  研究表明:基础顶载荷或塔架质量最小的方案不是塔架和单桩总质量最小的方案。通过试验设计方法可以给出单桩和塔架总质量最小的最优设计。  结论  研究成果表明,在设计中采用一体化试验设计方法寻找塔架和单桩总质量最小的全局最优设计是降低海上风电度电成本的有效方法。业主将制定塔架和基础总造价最小的招标规则,要求采用一体化试验设计方案找到全局最优设计。     

海上风机支撑结构整体优化设计

  [目的]  当前国内海上风电项目在投标阶段通常采用分步迭代设计(Sequentially Iterated Approach,缩写为SIA)方法和流程,风机厂家给出塔架设计并担保工程量,但最终得到的设计往往是塔架最轻的局部最优设计而不是整体支撑结构最轻的设计。为了降低海上风电平准化度电成本(Levelized Cost of Energy,缩写为LCoE),提出了整体优化设计(Integrated Design Optimization,缩写为IDO)的流程和优化列式,建议在海上风电项目招标阶段业主可要求风机厂家联合设计院编制并提交整体设计投标方案,把设计域扩大到整体支撑结构进行优化设计,寻找全局最优的设计。  [方法]  为了说明IDO方法和流程的优势,以某海上单桩基础项目为例,分别计算不同塔架直径和单桩基础直径的共18种设计方案,比较了采用SIA方法与IDO方法获得的结果。  [结果]  结果表明:IDO相比SIA可在塔架质量增加较小时大幅减少整体支撑结构的质量。  [结论]  在今后的海上风电工程项目应用中,可通过IDO优化设计方法和流程给出整体支撑结构最轻的设计方案,为降低海上风电LCoE提供可行的解决方案。     

10 MW大型单桩式海上风机桩土作用研究

目的  世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m）,主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟,海上风电逐渐走向机组大型化趋势,而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛,对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。方法  拟对浅水水域10 MW大型海上风机,研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。结果  结果表明,宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性,在特征频率附近的功率谱密度总和大,对比其他传统桩土模型时有很大的优势。结论  所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。     

中国海上风电支撑结构一体化设计综述

对当前中国海上风电在风机、塔架与基础一体化设计领域的研究进行了回顾,从降载优化技术、结构优化技术、工程探索与应用方面探索了一体化设计的可行性,给出了在海上风电支撑结构轻量化的优化目标下可采用的一体化设计的关键技术和实施途径。研究表明,中国海上风电行业需要从提供一体化设计的前提条件、当前阶段可采用的技术、下一步的研究方向3个层次逐步落实,在海上风电走向平价上网的大背景下,业主工程师与第三方认证机构需要起到更大的推动作用。