海上风机Spar型浮式基础的运动特性研究

作     者：李溢涵 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐友刚

授予年度：2012年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：海上风机 Spar浮式基础 频域分析 规则波 时域分析 

摘      要：风能作为一种可再生的清洁能源,在国家能源战略中的地位越来越重要,而深海风能蕴藏风能更为丰富和优质,因此,研究海上浮式风机的运动特性对于提高风能利用具有很重要的意义。 本文首先综述了国内外对于海上风机浮式基础的研究进展,介绍了海上风机海洋环境载荷计算的理论,以美国可再生能源研究所(NREL)的海上5MW风机为模型,综合驳船和Spar平台的特点,概念性地设计了一种海上风机Spar型浮式基础。 考虑粘性阻尼矩阵和系泊系统回复刚度矩阵,建立风机和基础的整体模型,在频域范围内研究了波浪入射角、水深等因素对浮式基础运动响应的影响。考虑风机与基础的整体模型、系泊系统与基础之间的耦合作用,研究了Spar浮式基础在规则波中的运动响应,分别分析了系泊系统回复力和波面升高对垂荡和纵摇耦合运动的影响。在风、浪、流的联合作用下,编程计算了不同风速下叶片和塔柱的气动弹性载荷,建立风机、基础与系泊系统的整体模型,考虑系泊系统与基础之间的耦合作用,利用DeepC软件对海上风机整体模型进行了时域分析。 得到以下结论:(1)波浪入射角对纵摇和纵荡自由度的运动响应影响较大,水深对纵荡自由度的运动响应影响十分明显,该Spar型浮式基础更适用于深水。(2)在规则波中,波面升高对垂荡为主共振时的垂荡运动响应影响很大,而系泊系统的回复力作用能有效地避免内共振现象的发生。(3)在风速达到切出风速25m/s之前,风机在有义波高小于5m的海况1、海况2和海况3中运动响应幅值较小,能满足发电的条件,而在有义波高大于5m时,由于运动响应幅值均过大,应该停止发电。因此,本文设计的Spar型风电浮式基础具有一定实用价值。