我国近海风电场单机用海面积界定方法的探讨

海上风能资源储量是陆地风资源储量的2~3倍,与传统陆上风电场相比,海上风电场优势显著,是理想的清洁能源。然而,随着海上风机技术的发展,风机单机装机容量逐渐增加,现有的风机单机用海面积界定方法已经不能满足海上风机发展的需要。因此,基于透水构筑物用海面积界定的原理以及风机叶片直径不断增加的趋势,提出了一种基于风机叶片直径的近海风机单机用海面积界定方法,可有效地解决现有风机单机用海面积界定方法的不足。     

“重心可调式工装叶片”在海上风机叶轮高空整体拆卸中的应用

海上风机叶片发生断裂故障时,通过设计和制作工装叶片,替换断裂叶片,实现海上风机叶轮高空整体拆卸。工装叶片设计重量和重心位置与风机叶片保持一致,替代风机叶片安装后,不产生额外偏心力矩,对叶轮主轴无不良影响。工装叶片的应用,能够实现使用两台吊机完成叶轮的拆卸和溜尾翻身,提高风机维修施工的安全性,降低维修成本。文章以工装叶片的应用实例证明,应用工装叶片能够方便快捷地实现海上风机叶轮高空整体拆卸。     

支撑结构频率对海上风机动力响应的影响机理研究

海上支撑结构的优化设计是海上风机技术发展的必然趋势,降低支撑结构的载荷是保证风机安全运行的有效途径。海上支撑结构受到风浪复杂环境荷载作用,风、浪载荷决定着塔底承受较大的剪力和倾覆力矩,同时风浪的随机性和周期性会影响塔架的疲劳载荷。基于海上风机支撑结构频率对载荷影响的研究,分析海上支撑结构频率对叶片根部挥舞和摆振响应的影响,探究频率对风机响应的影响机理。研究表明：波浪频率诱导是基础疲劳载荷响应的主要原因;开展单桩基础设计,当整机频率确定时,基础变径段可设置于浪溅区下部区域范围;叶片摆振响应受1P频率影响较大,在风机设计时可增加叶片摆振方向的阻尼;当整机频率邻近3P频率时,塔筒刚度变化对基础载荷响应的影响大于基础刚度变化;海上支撑结构设计时可优先考虑塔筒刚度。     

考虑流固耦合效应的单桩式海上风电机组结构响应模拟

针对海上风电整机系统,建立了一体化流固耦合分析方法。在模拟过程中,采用浸入边界法解决风机叶片旋转引起的静动干涉问题,利用改进的守恒式 level set（简称 ICLS）方法捕捉海浪自由面,并使用交错迭代法求解流固耦合方程。通过构建 “风机—塔架—基础”一体化流固耦合数值模拟方法,能够在一次仿真计算中实现海上风电整机系统的全过程数值模拟,准确求解多荷载耦合作用下“风机—塔架—基础”的整体结构动力响应。以某单桩式海上风电工程为例,验证了本方法能够实现对海上风电整体系统的一体化分析。     

叶片变桨失效过程中空气动力失衡对海上风机影响

叶片桨距角之间的角度差异产生的空气动力失衡是海上风机的主要动力问题之一。基于海上风机分析程序FAST和水动力计算程序WADAM开发的一种时域数值模拟程序,可计算海上风机系统在风浪载荷作用下的耦合动力响应。应用此数值工具,模拟一个叶片上变桨控制系统失效的情况,研究空气动力失衡对浮式海上风机系统运动响应的影响。分析表明,空气动力载荷失衡引起的激振不仅激发了浮式基础的横向运动,而且增大了基础的纵荡运动和首摇运动。同时,空气动力失衡还大幅增加了风机塔柱底部受到的横向剪切力,对风机系统的安全性造成了威胁。     

海上风机吸力式桶形基础承载特性研究综述

风机基础作为海上风机整体结构的重要组成部分,承受着上部风机所受到的风浪流荷载,并且对风机的安全性及可靠性至关重要。吸力式桶形基础由于其安装简单和可重复利用等优点,在海洋平台基础中得到了广泛应用,并逐步应用于海上风机基础中。但由于海上风机与海洋平台在海洋环境中的荷载工况有一定的差别,仍需要通过对其承载特性研究现状进行全面认识,以实现吸力式桶形基础在海上风机基础中的可靠应用。文中通过总结和评价现有研究对桶形基础在不同土体条件以及荷载条件下进行试验及数值模拟分析得到的研究结果,综述了静荷载和循环荷载作用下砂土和黏土中的吸力式桶形基础的承载特性研究现状,以及海上风机吸力式桶形基础的相关研究。文章展望了目前应用于海上风机基础的桶形基础仍缺乏的研究,为海上风机吸力式桶形基础的可靠应用及后续研究提供重要参考。     

海上风机吸力式桶形基础承载特性研究述评

风机基础作为海上风机整体结构的重要部分,承受着上部风机所受到的风浪流荷载,并且对风机的安全性及可靠性至关重要。吸力式桶形基础由于其安装简单和可重复利用等优点,在海洋平台基础中得到了广泛应用,并逐步被应用于海上风机基础中。但由于海上风机与海洋平台在海洋环境中的荷载工况有一定的差别,仍需要通过对其承载特性研究现状进行全面认识,以实现吸力式桶形基础在海上风机基础中的可靠应用。本文通过总结和评价现有研究对桶形基础在不同土体条件以及荷载条件下进行试验及数值模拟分析得到的研究结果,综述了静荷载和循环荷载作用下砂土和黏土中的吸力式桶形基础的承载特性研究现状,以及海上风机吸力式桶形基础的相关研究。文章展望了目前应用于海上风机基础的桶形基础仍缺乏的研究,为海上风机吸力式桶形基础的可靠应用及后续研究提供重要参考。     

单向荷载作用下海上风机多桶基础承载特性数值分析

作为一种新型的深水海上基础型式,桶形基础在海上风机设施设计与建设中逐步得到了发展和应用。以三桶基础为例,采用大型有限元软件ABAQUS对海上风机多桶基础的承载特性进行了三维有限元数值分析。根据海上风机的荷载受力特点,分别探讨了三桶基础在竖向荷载、水平荷载和力矩作用下的极限承载力,得出荷载作用方向及桶间距对极限承载力的影响程度,研究成果为复合加载模式下海上风机多桶基础的承载特性分析奠定了基础。     

海上风机噪声对海洋生物的影响研究

海上风电是未来沿海各国海上能源开发的重点。我国海上风电正处于起步阶段,已建和规划中的风电场逐渐增多。国内对海上风电场环境影响研究,尤其是风机噪声对海洋生物的影响研究几近空白。文章总结了近年来国外海上风电场运营过程中水下噪声的基本概况,以及对海洋鱼类（游泳鱼类和底栖鱼类）、哺乳动物和底栖生物影响的研究成果。就我国未来海上风电场建设规划,提出海上风电场运营期风机噪声研究的不足及海洋生物听闽范围研究的缺乏,为我国制定海上风电项目环境影响评价规范提供科学参考,并指出水下噪声对我国海洋生物影响的研究方向。     

半潜型风机浮式基础设计及幅频运动特性研究

针对5MW海上风机,进行了半潜型浮式基础的概念设计,研究了其幅频运动特性。考虑风机浮式基础的稳性和运动要求,对浮式基础的构件进行设计,并进行舱室划分;考虑叶片产生的气动载荷影响以及风载荷作用,计算分析风机浮式基础的完整稳性及破舱稳性;考虑浮式基础构件及压水板的粘性阻尼,计算浮式基础的幅频运动响应特性。计算结果表明,设计的浮式基础运动性能满足风机发电作业的要求。     

基于非定常面元法的海上浮式风机气动性能研究

对于海上浮式风机而言,由于受到剪切风、塔影效应、浮式基础运动等因素的共同影响,其气动载荷会更加复杂,因此如何准确快速地对海上风力机的气动性能进行预估显得尤为重要。基于速度势的非定常面元法理论,研究海上浮式风机气动载荷特性,编制了相关的计算程序。以NREL 5 MW风机为例,建立了叶片和尾流的三维数值模型,计算得到了不同风速下风机的输出功率以及叶片表面的压力分布,对比数据结果分析了该方法的可靠性。针对非定常流动,模拟了剪切风和塔影效应的作用,并重点分析了浮式基础运动对风机气动载荷的影响。研究表明,浮式基础的纵荡和纵摇会增加输出功率的波动幅值,艏摇运动会导致单个叶片上的气动载荷产生较大的波动,为浮式风机叶片控制提供了参考。     

浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应数值模拟

随着海上风电产业的快速发展,大型浮式风机逐渐从概念设计走向工程应用,但仍面临较大的挑战。一方面,在风、浪等环境载荷的作用下,浮式风机的气动载荷和水动力响应之间存在明显的相互干扰作用;另一方面,风力机大型化使得叶片细、长、薄的特点愈发突出,叶片柔性变形十分显著,这会影响到浮式风机的耦合性能。基于两相流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,结合弹性致动线模型和等效梁理论,建立了浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应计算模型,并对规则波和剪切风作用下Spar型浮式风机的气动—水动—气弹性耦合响应进行了数值模拟分析。结果表明,风力机气动载荷使得叶片挥舞变形十分显著,而叶片的扭转变形会明显降低风力机的气动载荷。此外,风力机气动载荷会增大浮式平台的纵荡位移和纵摇角,同时,浮式平台运动响应会导致风力机气动载荷产生大幅度周期性变化。进一步地,叶片结构变形响应会使得浮式风机尾流场的速度损失和湍动能有所降低。     

海上风机整体吊装技术在舟山海域的应用

海上风机整体吊装技术已在多个海上风电场成功应用,但随着海上风电场深海化发展的趋势,海况条件越来越复杂,整体吊装技术的应用需要解决一些新的技术难题,文章结合国电舟山普陀6号海上风电场项目实例,通过对整体吊装现有工艺和现场海况条件进行分析对比,提出改进措施,并得到实践验证,保证了项目的顺利进行。     

基于实测数据的海上风电结构动力响应分析

地震是危害海上风电结构作业安全的重要环境因素,目前,国内尚未公开发表真实地震响应下,海上风电结构的实测动力响应数据。分析了某地震活动区海上风电结构的实测地震响应,采用随机子空间识别方法进行风机的模态识别,阐述了风机机舱偏航将引起前后、左右两个正交方向振动的耦合,并从理论上证明了利用耦合、解耦数据识别模态参数的差异。结果表明：1）耦合与解耦信号识别的频率、阻尼比完全相同,而耦合信号识别的模态振型与偏航角有关;2）地震作用会对结构产生巨大冲击;3）非地震作用下,风机塔筒前后、左右第一阶弯曲模态为主要模态,地震作用可以激发风机的高阶模态,使得塔筒中上部而不是顶部的振动响应最大。此分析对地震活动区海上风电结构的抗震设计具有一定的参考价值。     

星载SAR近岸海上风能遥感研究进展

星载SAR已成为近岸海上风能资源研究的新技术手段之一。本文回顾了SAR近岸海上风能遥感研究进展,特别是国内外星载SAR近岸海上风能遥感探测技术研究、遥感应用研究以及SAR风机尾流遥感探测研究的发展。同时针对星载SAR近岸海上风能遥感研究目前存在的问题和今后有待研究的方向进行了探讨。     

海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析

海上风电支撑结构不同于一般海洋结构物,它受到复杂的风机气动荷载、机械控制荷载和海洋环境荷载的多重作用。文章针对海上某单立柱风电支撑结构,通过分析其结构固有频率的约束限制以及外环境荷载的动力特性,综合考虑外环境荷载尤其是风机荷载的动力放大影响,给出海上单立柱风电支撑结构的拟静力分析思路。并进行极端及操作工况下支撑结构在风、浪、流环境荷载组合作用的应力计算和强度分析。提出该种结构在使用现有海洋结构物设计规范和风机设计规范时的注意事项。该分析比较结果及结论可作为海上类似风电支撑结构的设计参考。     

171m 直径叶轮海上风机安装施工技术

随着海上风力发电机组装备技术的不断提高,海上风机日趋大功率,叶轮直径也越来越大。文章结合国内首台171m 直径叶轮海上风机的实际施工,介绍大直径叶轮海上风机分体安装技术,为类似工程提供参考。     

近海海上风电场水下噪声传播模型适用性研究

通过现场采集近海海上风电场工程区运营期风机水下噪声和背景噪声数据,计算了噪声信号的倍频带声压级,功率谱级和峰值声压级,确定了海上风电场水下噪声总声源级为148.3 d B,以此开展近海海上风电工程风机水下噪声频域特性、功率密度谱特性等研究。在此基础上使用Kraken简正波模型和Bellhop射线模型对风电场运营期风机水下噪声在水平与垂直方向上的传播进行模拟,模拟了噪声在不同频带内的衰减程度,结果显示模型模拟结果在不同频率下的衰减趋势有着很大差异,产生了明显的多途干涉现象,通过实测数据对建立的噪声传播模型进行验证,发现Kraken简正波模型在500 Hz以下,Bellhop射线模型在500 Hz以上适合模拟实际水下噪声传播情形,同时海区本身背景噪声的存在会对预测的准确性产生影响。这些结论可用于进一步对近海海上风电场水下噪声传播的研究。     

海上风电基础结构安全监测系统开发与应用研究

海上风电基础结构的安全是风电场安全运营的重中之重,因此需要对海上风电基础结构的受力状态、振动状态、腐蚀情况进行实时、准确的监测,文章基于以上需求,开发一套基于物联网技术和云平台技术的海上风电基础结构安全监测系统,可满足海上风电基础结构安全自动监测的要求,集数据实时监测与传输、远程测控、数据分析与预警等功能于一体,可远程读取风机基础结构在各种工况下的结构安全数据,并进行结构安全评估、分析,为全面分析风机基础结构的寿命及安全性提供了数据支撑。     

海上风机对潮间带地形变化影响的定量遥感监测研究

为科学分析潮间带风电场建设对潮间带滩涂稳定性的影响,文章综述国内外潮间带动态变化分析的研究进展,提出假想沙体表面判别法（HSSD）;从单时相DEM中定量估算海上风机建设引起的潮间带地形变化,分析海上风机建设及运行对近海沙体地形冲淤变化的贡献率和贡献方式;采用增强型水边线法（EWM）构建多时相潮间带DEM,开展潮间带滩涂冲淤变化影响海上风机安全性和稳定性的定量评估。实践应用证明,该方案可用于海上风机对潮间带地形变化影响的定量遥感监测。