海上风电浮式基础动力响应研究

【摘要】：海洋发电的主要风能资源分布在离海岸线5～50km的海域,而该海域水深一般在20m以上。为了提高海洋发电量和海上风电场的经济效益,需要采用浮式基础安装风力发电机。因此,研究海上风电浮式基础结构的动力特性具有重要意义。 本文综述了国内外对于海上风电浮式基础的研究现状,提出浮式风电基础设计中的关键因素,总结了风、浪、流载荷计算的理论,分别介绍了计算浮式结构物响应的频域和时域方法。根据600kW水平轴风电机的基本资料,从减小浮式基础运动的角度出发,详细设计了塔柱、半潜式基础以及系泊系统。 利用SASAM软件的GeniE模块,合理地处理压水板、叶轮和机舱,建立了精细的有限元模型。在HydroD模块中,采用复合水动力模型,计算浮式风电系统波浪载荷以及运动响应的传递函数和响应谱。针对60m水深的海域,在DeepC模块中考虑风电机-塔柱-浮式基础与系缆之间的耦合,计算浮式风电系统在紊动风、定常流以及不规则波浪联合作用下的动力响应。分析浮式风电系统的动态运动与系缆张力,确定可以正常发电的海况,并提出结构优化的建议。 时域的计算结果表明,所设计的浮式风电系统在有义波高不大于4m时可以安全地发电。该海上风电浮式基础设计和动力响应计算的方法对我国近海乃至深海风电资源的开发具有一定的参考价值。 【关键词】：海上风电场 浮式基础 压水板 动力响应
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-15
• 1.1 研究意义7-8
• 1.2 国内外海上风力发电的历史、现状及前景8-9
• 1.3 海上风电机组的基础结构9-12
• 1.4 海上风电浮式基础设计的关键因素以及研究进展12-14
• 1.5 本文工作14-15
• 第二章 海洋环境描述与载荷计算的基本原理15-29
• 2.1 风的描述以及风载荷计算15-18
• 2.1.1 平均风速与脉动风速15-16
• 2.1.2 风载荷计算16-18
• 2.2 波浪的描述以及波浪载荷计算18-26
• 2.2.1 Airy波浪理论18-19
• 2.2.2 随机波浪理论19-22
• 2.2.3 小尺度构件上的波浪载荷计算22-23
• 2.2.4 三维线性势流理论23-26
• 2.3 海流的描述以及海流载荷计算26-28
• 2.3.1 海流速度26
• 2.3.2 海流载荷计算26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 浮式基础设计与模型建立29-37
• 3.1 600kW风电机浮式基础结构设计29-32
• 3.1.1 600kW水平轴风电机介绍29-30
• 3.1.2 浮式基础结构30-32
• 3.2 SESAM软件在结构有限元建模时的应用32-33
• 3.3 结构几何模型与有限元模型的建立33-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 浮式风电系统载荷及运动响应的频域分析37-55
• 4.1 结构物所受波浪载荷的组成37-38
• 4.2 结构物在波浪中运动的组成38
• 4.3 频域运动方程38-39
• 4.4 传递函数与响应谱39-40
• 4.5 SESAM在频域计算时的应用40-41
• 4.5.1 HydroD模块介绍40
• 4.5.2 Wadam子程序介绍40-41
• 4.6 坐标系41-42
• 4.7 水动力计算的有限元模型42-44
• 4.7.1 水动力模型（Hydro model）42-43
• 4.7.2 结构模型（Structural model）43-44
• 4.7.3 质量模型（Mass model）44
• 4.8 浮式风电系统频域响应计算44-54
• 4.8.1 频域响应的计算过程简介44-45
• 4.8.2 频域响应的计算结果45-54
• 4.9 本章小结54-55
• 第五章 浮式风电系统载荷及运动响应的时域分析55-74
• 5.1 浮式结构物的系泊系统55-58
• 5.1.1 系泊系统的机理及分类55-56
• 5.1.2 系泊系统的静力分析与动力分析56-58
• 5.2 系泊结构物响应的时域分析理论58-61
• 5.2.1 波浪力的傅氏变换58-59
• 5.2.2 附加质量与辐射阻尼的傅氏变换以及迟滞函数59-60
• 5.2.3 时域运动方程60-61
• 5.3 SESAM在时域计算时的应用61-62
• 5.3.1 DeepC模块介绍61-62
• 5.3.2 SIMO与RIFLEX子程序介绍62
• 5.4 坐标系62-63
• 5.5 浮式风电系统时域响应计算63-73
• 5.5.1 时域响应的计算过程简介63-64
• 5.5.2 时域响应的计算结果64-73
• 5.6 本章小结73-74
• 第六章 全文总结74-76
• 参考文献76-79
• 发表论文和科研情况说明79-80
• 致谢80

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