在大海中安装基础

正确定了海上风电场的选址后,接着便是安装一台台的风力机。很明显,风力机并不能直接站立在海面上,它们需要下部基础来固定在海床上。这就是海上风电与陆上风电的最大不同:陆上风力机只需要一块足够厚重的混凝土板就能够支撑;而海上风电需要结构复杂的基础来连接海床。基础(也称支撑结构)为风力机塔筒底部往下直至进入海床部分的末端位置,是与地基接触的承重构件,作用是将上方的结构载荷传递给地基,需要在20~30年的生命周期中支持上部风力机的安全运行。受海上强风、海水腐蚀、波浪及海流冲击等因素,海上风力机的基础施工难度大、建设成本高,通常占整个风电场工程成本的20%~30%。针对于不同的海床深度、地质条件、     

固定式海上风力机实时混合试验加载方式研究

在传统的海上风力机模型试验中，湍流风载荷在实验室中复现困难，实验室场地的空间限制无法进行大型海上风力机模型试验，上部风力机与下部平台存在的缩尺矛盾也无法深入研究海上风力机全耦合作用机理.随着计算能力的提升、数值积分算法以及控制等关键问题研究取得突破，上述矛盾可由实时混合试验方法解决.本文以美国国家可再生能源实验室（NREL）5 MW固定式海上风力机为研究对象，按照1∶90进行缩尺，制作物理子结构模型，开发AeroDyn程序作为数值子结构，添加UDP/IP通信机制作为数据采集与传输方式，以推杆式作动器为加载装置，搭建了完整的实时混合试验系统，进行无海浪工况下的固定式海上风力机实时混合模型试验.将试验结果与FAST软件结果进行对比分析，结果吻合良好，说明了实时混合模型试验方法的可行性.研究结果为海上风力机实时混合模型试验技术的进一步发展提供了参考，为海上风力机结构设计与安全运行提供技术支撑.     

漂浮式海上大型风力机研究进展

海上风力发电正在向距岸更远、水深更深的海域发展.适用于近海/近岸深水海域(水深50m)的漂浮式海上风力机是未来海上风力发电的发展方向,并已经成为当今世界风电领域和海洋工程领域的研究热点之一.我国在漂浮式海上风力机领域起步稍晚,发展迅速,但距离世界先进水平尚有一段距离.为促进我国漂浮式海上风力机的发展,本文首先回顾了国外漂浮式海上风力机的发展历程和主流技术形式,继而简述了国外漂浮式海上风力机兆瓦级全尺寸样机的海试工作,并从研究角度就设计要求、数值仿真和实验室试验三个方面讨论了漂浮式海上风力机的技术与挑战,最后简介了我国漂浮式海上风力机的发展现状,并讨论了在环境条件限制下,我国发展漂浮式海上大型风力机的问题与解决方案.     

单桩式海上风力机支撑结构强度振动分析

以某型2MW海上风力机支撑结构为母型,运用有限元软件ANSYS建立了三维实体模型,并进行了模态、涡激振动及瞬态动力学等强度与振动特性分析.结果表明,非线性弹簧单元适用于模拟土壤对基础的约束,三维实体单元有限元模型在固有频率和应力分布计算上均比梁单元模型更为准确.在所提供的风况和海洋条件之下,海流涡激振动不会与支撑结构产生共振,支撑结构的应力水平主要受风载的影响,该结果可为海上风力机支撑结构强度与振动分析提供参考.针对不同环境,仅需调整载荷,所建模型宜可适用.     

土基海流耦合条件下海上风电场塔架支撑结构动力特性初探

针对海上风力机塔柱支撑结构受到土基、海洋流体作用的复杂特点,开展多介质耦合条件下塔柱支撑结构动力特性研究。在考虑流固耦合基础上,进一步考虑海床土基弹性条件对塔柱结构动力特性的影响。最后得出了水流、土基与塔柱结构三合一综合动力特性分析结果,初步取得了变化规律。研究结果对海上风电场塔架支撑结构的抗振设计及进一步的研究提供了重要基础性参考依据。     

海上风电基础结构选型与施工工艺

目前,国内对海上风电机组及其海上风电场建设的一系列相关技术的研究和装备的研制尚处于起步阶段,支撑风力机的基础结构设计就是其中的关键技术之一.该文针对海上风电的基础结构设计,给出了国际上常用的结构形式及其适用条件,探讨了各种基础类型的选型原则,对比分析了每种基础形式的施工工艺,为我国的海上风电场基础设计和施工提供了理论指导.     

单桩基础海上风力机防护装置的船舶碰撞试验与数值对比分析

针对某4MW单桩基础海上风力机,提出了一种新型钢壳-橡胶组合结构的防船舶碰撞装置,分别基于简化缩尺物理模型试验和非线性有限元软件LS-DYNA方法,对船舶碰撞时海上风力机的动力响应特征进行了对比分析,同时,参照相关国际规范,选取了具有代表性的碰撞工况,分别研究了船舶碰撞时无防护装置的海上风力机和船舶碰撞时有防护装置的海上风力机的动力响应特征,结果表明,新型防护装置可以有效地降低作用于风力机主体结构的最大船舶撞击力,它可以利用其外层薄壁钢壳结构的塑性变形来吸收船舶的碰撞能量,从而保护风力机塔架及整体结构的安全.此外,数值模拟结果与物理模型试验结果具有较好的一致性,相关数值模型的有效性也得到了验证.     

整体安装

正既然在远海高精度安装很困难,那把需要精密操作的步骤移到稳定的陆上或者岸边不就行了吗?风力机整体安装便是如此。整体安装时,风力机各部件像搭积木一样,在码头完成拼装,再用大型起重机整体吊到运输驳船上,或者也可以直接在停靠于码头的运输驳船上拼装。驳船由拖轮拖至安装位置,再由起重船一次性将风力机整体吊装到基础上。由于风力机只需在海上吊装一次即可完成作业,因此大大减少了海上安装的时间与风险。但需要大型运输驳船和大型海上起重船等设备。目前我国海上风电场采用这一安装方式的较多。下面以江苏响水海上风电场的西门子4兆瓦风力机的安     

复杂荷载环境下海上风力机的建模及动力学特性分析

通过分析处于海风、海浪、海流、土壤力等复杂荷载作用下的海上风力机支撑结构, 采用赫维赛德阶跃函数和狄拉克函数建立了连续统一的、顶端带有集中质量块的悬垂梁风力机动力学模型. 基于对控制方程的Galerkin截断, 得到离散化的常微分方程组, 使用四阶Runge-Kutta方法求解, 得到了模型的动力学行为特性云图曲线. 通过悬垂梁风力机模型的时程曲线、庞加莱映射对风力机模型进行动力学分析, 给出了位移和速度的幅值随激振力频率变化的幅频特性曲线, 并研究了垂向激振、自重、变刚度参数对风力机结构振动特性及其稳定性的影响.     

走向深海

正从诞生至今,海上风电的历史还不到30年,其技术革新之迅猛令人印象深刻。如果以这种速度发展下去,未来的海上风电将会呈现怎样的景象呢?最明显的趋势,是风力机的进一步大型化。现今叶片制造技术以及传动系统性能的持续改善,使得风力机可以使用更大型的叶片,相应地提高了单机容量。目前主流海上风力机的单机容量已经达到6兆瓦,风轮直径达150米。运用更大型的机组,能够通过提高可靠性以及在同功率情况下缩减基础制造与吊装成本,来获得更好的经济性。预计到本世纪20年代,单机容量为10兆瓦的海上风力机将会投入商业化应用,而到30年代,单机容量为15兆瓦的机组将能够面市。当今我国乃至世界上建成的海上风电场绝大多数为近海风电场。未来,海上风电势必会向深远海发展,因为深远海范围更广,风能资源更丰富,风速更稳定,也不会与海上渔场、航线等发生冲突。前文介绍的风力机基础都需要与海床结合来提供承载力,而深海风力机要是仍然使用这一形式,其基础的尺寸和造价将随着水深急剧增加。也就是说,深海风力机将只能选择用海水     

浮冰作用下单桩海上风机动力响应分析

随着海上风电在环渤海地区不断发展，冰激振动响应为当前环渤海地区海上风机面临的重要问题 .基于海上风机一体化数值分析软件，对浮冰作用下单桩海上风机动力学响应展开研究 .重点探究单桩风机塔基以及泥面线处载荷动力响应变化规律，研究不同冰载数值模型、冰厚以及冰速对单桩海上风机动力响应影响，开展抗冰锥结构下单桩海上风机动力响应影响规律.结果表明：不同冰载数值计算模型下的计算结果差别较大，采用Matlock双齿模型计算出的塔基载荷以及泥面线载荷最大，分别为无浮冰作用的 2.2倍与 1.3倍；单桩海上风机动力响应随冰厚增加而增加，冰速变化对单桩海上风机结构荷载影响不明显；采用抗冰锥措施后，作用于单桩海上风机的冰荷载显著降低，极大降低单桩风机塔基以及泥面线位置处的剪力与弯矩，塔基位置处剪力与弯矩的最大值分别为无抗冰锥结构的82%与95%.同时抗冰锥结构可极大降低作用结构上的冰荷载，其冰载最大值与标准差分别为不采用抗冰锥结构的5%与7%.     

海上浮式风机载荷计算与动力学分析研究综述

海上浮式风机是目前最具开发潜力的新型风电技术,能为蕴藏丰富的深海风能开发提供有效的解决方案.由于浮式基础的大幅度运动、缆索的非线性大变形、叶片和塔架的大柔性及叶片承受的巨大运行风载荷,使得风浪流载荷作用下海上浮式风机系统耦合动力学分析面临着巨大的挑战.考虑到海上浮式风机特有的运动和体型特征,论述了海上浮式风机水动力学、气动力学、锚泊系统动力学和刚柔耦合动力学分析等方面的研究进展,阐明了现有载荷计算和动力学分析方法存在的局限性和可能的解决方法,指出未来应从全局系统出发研究水动力学、气动力学和结构动力学耦合问题,从而发展并形成海上浮式风机的专业分析方法与工具.     

海、陆两用风力发电实验平台设计

在风电场通过现场测试分析研究风力机性能由于受到现场环境的限制,能够获得的研究数据有限,室内模拟实验平台能够有效弥补研究不足.为此提出了一种海、陆两用风力发电实验平台方案.该实验平台由来风装置、风轮、发电机、两段式塔架、漂浮台、波浪产生装置、传感检测和数据采集系统等构成.在实验平台整体方案基础上,进行了结构参数设计,建立了漂浮台受力分析模型并获得了合理的结构参数,以Lab VIEW为开发环境设计了上位机运行状态监控系统.最后,基于构建的实验平台,开展了部分风力机动态特性研究工作,对比分析了模拟陆地风力机和海上漂浮式风力机时塔架振动特性,为进一步深入开展风力机动态特性研究提供了基础.     

复杂海况下风力发电机建模与动态特性仿真分析

考虑到海上风力发电机可能会受到冰载荷的影响,将随机冰力函数模型添加到风力发电机模型中,利用莫里森方程模拟海浪作用,建立复杂海况下多体动力学联合仿真模型,进行多场耦合作用下的风力机动力学特性分析,以此评估风力机系统在复杂工况下的运行风险。结果表明:风力机塔顶位移的波动主要受风载的影响;波浪、海冰对塔基载荷性能影响较大,会使塔筒产生持续振动并引发疲劳破坏,风冰联合作用时振动更为剧烈;由于海冰的持续撞击作用会使塔基载荷普遍大于无海冰作用情形,因此,针对海冰工况下风力发电机的设计要有所修正及完善。     

东海某风场4 MW风机塔筒结构疲劳特性

海上风机塔筒长期受到风荷载等外部动力荷载作用,其应力响应相当不规则,容易发生疲劳破坏。由于每个风速工况出现的概率不同,而且塔筒在各工况下的响应也存在差异,因此有必要划分风速工况来编制疲劳应力谱。以东海某海上风电项目为例,建立塔筒结构三维精细化有限元模型,结合风速威布尔分布模型、雨流计数法和线性疲劳累积损伤法则,采用名义应力法计算塔筒的疲劳寿命,并与简化塔筒模型的计算结果进行对比分析,以期为风力机结构疲劳研究提供思路和参考。计算结果表明：通过划分风速工况来编制疲劳应力谱的方法是可行的;塔筒结构容易发生疲劳破坏的部位在塔筒中下部筒节之间的连接处及附近;在分析塔筒疲劳特性时采用壁厚随高度均匀变化的简化塔筒模型与精细化模型结果相差较大,会带来较大误差,因此建议建立精细化模型以合理预估风机塔筒疲劳寿命。     

基于ANSYS的海上风机塔筒的自振特性分析

海上风电项目是可再生能源开发和利用的焦点,在开发海上风能的过程中,风机塔筒的自振特性是影响结构安全的重要一环.本文以某一风机塔筒为例,采用ANSYS有限元分析软件进行模态分析,讨论了3种处理质量、刚度非连续变截面塔筒结构的数值模拟简化建模方法,并比较3种方法在自振频率计算方面的准确性.研究表明,采用最大外径进行简化建模可以大大减小前两阶自振频率计算的误差率,所得结论可为类似结构自振频率简化计算提供依据,对于保证海上风电项目的安全性和可靠性有重要意义,具有一定的工程参考价值.     

基于环境等值线法的海上浮式风机长期极限响应预测

为保证海上浮式风机在复杂的风浪环境载荷作用下正常服役,需要评估海上浮式风机的长期极限响应。通过实测风浪的联合概率分布,利用基于逆一次可靠度法(IFORM)和逆二次可靠度法(ISORM)的环境等值线法获取环境工况组合,模拟风机短期响应并结合Gumbel极值分布计算风机长期极限响应,实现了对海上浮式风机50 a重现周期的极限响应预测。研究结果表明:风浪联合作用下,随着平均风速增大,平台纵荡运动、叶根面外弯矩和塔基前后弯矩出现了先增大后减少的趋势;随着有义波高增大,平台纵荡运动最大值和平均值、塔基前后弯矩最大值也随之增大;与基于IFORM的环境等值线法相比,基于ISORM的环境等值线法可以涵盖更多的环境工况组合,得到更大的浮式风机长期极限响应,进一步提高了风机结构设计安全性。     

基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析

风力发电塔作为一类特殊的高柔结构,顶部支撑的风机在工作状态下对塔身产生动态激励,目前的风电塔振动实测通常采用接触式传感器.为发展风电塔现场非接触测试技术,本文对激光遥测方法进行阐述,利用加速度计和激光遥测设备对某1.5 MW风电塔进行环境脉动激励下的动力实测,对两种仪器的现场使用及测试结果进行对比,分析遥测方法的优势.利用得到的多组实测信号,分别采用峰值拾取法和随机子空间识别法进行分析处理,获得该风电塔的自振频率.     

单桩基础海上风机受船撞击损伤和动力响应分析

随着海上风机在服役期内被船舶撞击风险提高,运用LS-DYNA软件进行了5 000t船舶以2m·s-1速度撞击单桩基础海上风机的数值仿真.提出面积受损率描述海上风机单桩基础的受损程度,分析了风机塔架易损位置的位移、加速度响应及剪力.结果显示:船舶正撞风机以塑性碰撞为主;面积受损率能合理反映单桩基础在不同质量、速度、碰撞角度船舶撞击下的受损程度,其与船舶动能具有一一对应关系;风机塔架位移响应随塔架高度增加而增强,加速度响应却减弱;塔架顶部剪力最大值同底部一样均很大,所以加强塔架顶部连接同加强底部连接一样重要.     

不同分析方法对风力机塔筒动力特性的研究

以云南某风场的风力发电机为例,分别采用解析法与有限元法对风机塔筒进行模态分析,得到结构的动力特性。在对比不同计算方法计算结果差异的基础上,对塔筒刚性与风轮旋转诱发的塔筒共振进行了研究。结果表明:有限元模型简化少,且计算结果丰富;结构基本对称的柔性风机塔筒在启动过程中必然出现2次瞬态共振现象;正常运营阶段,风力机风轮不会诱发柔性塔筒产生共振现象。研究为风力机塔筒的设计提供了理论依据。