基于动力特性的海上风力发电支撑结构优化技术研究

【摘要】：风能作为一种绿色无污染的清洁能源,具有大规模开发和商业化发展前景。海上风力发电技术是一项综合性的高技术,涉及空气动力学、结构动力学、材料科学、海洋环境科学、机械工程、电气工程、控制技术、安装技术等多个学科和多种领域。从小功率风机到大功率风机,从浅水到深水,是经济获能的关键。适应海上风机发展趋势的支撑结构的构建是海上风能开发的主要技术之一,发展和研究的关键问题集中在降低成本和提高可靠性方面。 本文针对桩承海上风电支撑结构的工程特点,在国内外有关研究成果的基础上对海上风电单立柱支撑结构、格构式(导管架)支撑结构的动力特性和优化技术等问题进行了较为深入的研究,具体研究内容和结论如下： ●通过广义单自由度概念,构建海上风电单立柱支撑结构、格构式(导管架)支撑结构的数学模型,给出影响支撑结构特性的主要参数类别,并将其用于后继数值分析。采用有限单元法,通过敏感性分析给出各参数对结构性能影响的重要性程度,提出适合于海上风电场支撑结构方案选型的刚柔性设计依据。根据工程建造施工特点,将海上风电格构式支撑结构参数分为桩基参数、支撑平台参数、风机塔架参数、以及风机属性参数和海洋环境参数等几个层面。研究表明风机基本属性参数和风机塔架参数是影响支撑结构动力特性的主要因素,从而实现通过较少的主要参数确定支撑结构的尺寸和材料用量。 ●通过优化数值算例给出两种海上风电支撑结构随风机瓦数、轮毂高度、水深变化的适应程度,并用具体数据得出格构式支撑能经济地适应风机瓦数的增加和水深的变化,是海上风力发电大功率风机和深水发展的较好结构形式。 ●应用上述研究结论,进行海上采油平台改造成上风力发电支撑平台的结构可行性探讨。该研究结论可为新油田动力设施规划及废弃平台改造提供参考。 ●基于ANSYS11.0 APDL语言,开发了海上风力发电单立柱支撑和格构式支撑优化仿真应用平台。该平台通过良好的人机交互界面实现了海上风电支撑结构适应不同风机、不同海洋环境条件下,满足基本功能要求的结构选型和经济优化仿真分析。