模型试验技术在海上浮式风电开发中的应用-2011-6页

图2BlueH-5MW 概念

Fig.2BlueH-5MW concept

图1BlueH -80kW 小样机Fig.1

BlueH -80kW prototype

收稿日期：2011-03-04；修回日期：2011-06-13

基金项目：国家自然科学基金资助项目（（50979020）；“111”计划资助项目（B07019）

作者简介：赵静（1983—），女，吉林长春人，博士，从事海上风力机基础设计与载荷预报及海上风能开发与利用技术研究。

E -mail ：zhaojing20062007@

在水深大于50m 的深水区域安装海上风电机组，固定式桩基础或导管架式基础的成本很高。而使用浮式结构作为海上风力机的基础平台，平台再用锚泊系统锚定于海床，其成本较低，且容易运输，因此开展海上浮式风电场建设的基础理论和试验技术的研究，为我国在更广阔的海域建设更大型风电场，实现节能减排的目标，具有重要的理论价值和长远的战略意义。

1海上浮式风电机组

目前，国际上对于海上浮式风电机组（FOWT ）

的研究基本处于基础理论和实验研究阶段，真正投入建设并运行的只有2个样机，即英国的Blue H 风电机组［1］和挪威的Hywind 风电机组［2］。

1.1BlueH 风电机组

英国Blue H 公司于2008年夏研制出世界上首

第44卷

中国电力新能源

图4Hywind-5MW 模型试验

Fig.4Hywind-5MW experiment

1.2Hywind 风电机组

2009年春，挪威国家石油公司建成全尺度样机

Hywind （见图3）安装于水深200m 、离岸10km 处的

挪威西南部海域。该风力机为2.3MW 叶片风力机，带有压载物的Spar 浮体和3根固定于海底的强力锚链线，吃水100m ，适用水深为200~700m 。2006年，Hywind 概念就已经发展到5MW ，并据此进行了详细的数值模拟和模型试验研究（见图4）。

2海上浮式风电机组的概念形式

早在20世纪90年初期，各国学者就开展了海

上浮式风电机组的研究，提出了各种概念形式［3］。除上面提到的2个样机外，比较著名的海上浮式风力机概念还有：荷兰提出的框架式结构Tri-floater ［4］

（见图5a ））；挪威提出的半潜式结构WindSea ［1］（见

图5b ））；TLP 与Spar 组合结构Sway ［5］

（见图5c ））；

美国提出的半潜式和垂荡板组合结构Minifloat ［6］

（见图5d ））；Windfloat

［1,7］

（见图5e ））以及TLP 与

Spar 组合的mini TLP 式［8］（见图5f ））。

这些概念大多来源于海洋平台的结构形式或者经过改造后的再创造。单独考虑下部浮体的性能时，可参考海洋工程的实际经验（见表1）。但是海上浮

［9］，主要表现为：结构相

图3Hywind-2.3MW 概念

Fig.3Hywind-2.3MW concept

图5

海上浮式风力机概念

Fig.5FOWT concept

表1

海上浮式风电机组的基础结构性能对比

Tab.1Performances of FOWT foundation structures

赵静等：模型试验技术在海上浮式风电开发中的应用

第9期新能源

对柔性、结构动力学支配设计、风载荷和浪载荷量级相当且都起主导作用及力和响应的关系复杂无关联等。所以，究竟何种结构形式具有最优的性能且适合于大规模海上浮式风电场建设，还有需要大量的理论分析和试验验证。

3海上浮式风电机组试验研究

国际上对于海上浮式风电机组的试验研究也

开始于20世纪90年代，最早从英国FLOAT 项目（见图6a ））开始，早期发展比较缓慢，最近几年随着海上风场的大规模开展，各国开始迅速投入此项研究。

3.1国外研究进展见

国外开展了各种形式海上浮式风电机组试验，比较有代表性的有表2和图6所示的几种。

由于海上浮式风电研究理论尚不成熟，模型试验研究更是没有公认的标准规则可循，已经开展的试验都是参考海洋工程试验进行简化模拟，主要研究风力机和浮体相互影响，测量风浪同向条件下系统的三自由度（纵荡、垂荡、纵摇）运动响应，某些试验还测量了塔架和叶片受力。虽然试验的数量比较有限，且有很多简化和不足之处，但是每项试验都在前人研究的基础上进行了独特的创新和探索，取得了许多有价值的结果（见表3）。

3.2国内研究进展

我国的海上风电模型试验研究刚开始起步，哈

尔滨工程大学海洋可再生能源研究所首次开展了海上浮式风电模型试验研究。模型的基础结构选用新型4个浮筒半潜式平台形式（见图7），锚泊系统为9条锚链线对称分布，模型缩尺比采用1∶50。

表2

各国海上浮式风电机组模型试验技术参数

图6

海上浮式风力机模型试验

Fig.6FOWT model experiments

第44卷

中国电力新能源

图7新型半潜式海上风力机概念

Fig.7New semi-FOWT concept

表3海上浮式风电机组模型试验特点

Tab.3

Features of experimental models

模型实验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池（108×7×4m 3）中进行。试验中将风力机－平台模型系泊在水池中，在选定典型海洋环境工况下进行规则波和不规则波模型运动性能测量试验。平台的运动采用无接触式光学六自由度三维运动测量系统测量。

4模型试验技术分析

尽管各国的浮式风电模型试验研究存在差

异性，但是也具有很多的共通性，可以为后续研究提供参考依据。下面针对各技术要点逐一展开分析。

4.1环境条件模拟4.1.1造风系统

陆上风力机的模型试验都在风洞中进行，但风

，无法满足海上风力机试

验要求。目前我国还没有专门针对海上风力机试验的水池，但是某些船舶稳性试验时在水池上建造风洞的方法为海上风机试验提供了参考。风洞大小应依据水池的长宽等实际情况而设计，洞口底部应与水平面齐平。

在不具备风洞条件下，可在水池中可使用风机矩阵造风。造风时应注意各种水池的区别。

（1）海洋工程水池中应采用风机矩阵的方式模拟风场，即将数十个风机组成一个阵列，利用风机产生的空气循环形成风场。须将试验区域布置在风机矩阵3m 以外，同时距离池壁也需要在2.5m 以外，才能保证试验风场的均匀性。

（2）船模拖曳水池的纵向长度较大，很难形成密闭空间造成稳定均匀风场，试验区域应布置在风机矩阵1m 以内，以保证风速的稳定。这类风机矩阵中风机的数量较少，按照品字形排列，目的是覆盖各风机之间的空隙（见图4和图6）。

4.1.2造波水池

造波水池应根据平台基础结构类型和设计水深

来确定。例如，TLP 式和Spar 式等深吃水平台，应选择海洋工程水池（水深5~35m ），半潜式和框架式平台建议选择船模拖曳水池（水深1.5~3.5m ）。

4.1.3设计工况

海上浮式风电机组的组合工况数量繁多，模型试验可简化为2种工况：运行工况和生存工况。运行工况下，风速范围从切入风速到切出风速，波浪参数根据目标海域的作业海况选取；生存工况下，风力机顺桨停机，风速可取极限风速或切出风速，波浪参数取50年一遇或100年一遇极限海况。