漂浮式风力机气动性能受其平台运动影响的机理和应用研究

Offshore wind energy is a kind of strategic alternative energy sources, as it is sustainable, clean, economic and low carbon. Compared with shallow-water area, the offshore wind in deep-water area is stronger and more consistent with less turbulence. Therefore, floating offshore wind turbines, suitable to deep-water area, are expected as the future of offshore wind energy.Floating offshore wind turbines are with irregular motion because of wind and waves. The platform motion will affect the aerodynamic performance of floating offshore wind turbines. However, it has not been studied deeply.The key to this problem is to discern different kinds of platform motion, and especially focus on the motion freedom and frequency. In this study, the platform motion freedoms that mainly affect the aerodynamic performance and their switch frequencies will be studied by analysis, simulation. After validated by a group of model tests, the simulation method for aerodynamic performance calculation and the measure/estimation method for effective wind velocity will be developed based on these results. After finishing, this study will contribute to the design and control of floating offshore wind turbines.

海上风能作为一种持续、清洁、安全、经济、低碳的替代能源，具有战略价值。相对近岸浅水海域，近海深水海域的海上风能更加丰富、优质。因此，应用于近海深水海域的漂浮式风力机代表着海上风能产业的发展方向之一。漂浮式风力机受风、浪、流等环境载荷的联合作用，始终呈不规则运动状态。漂浮式风力机的平台运动将影响其气动性能。但是，该方向的研究尚需完善。平台运动影响漂浮式风力机气动性能问题的关键在于如何区分不同的平台运动，主要体现在自由度和频率两个方面。本项目拟通过理论分析、数值仿真，得出影响漂浮式风力机气动性能的各个主要平台运动自由度及其开关频率，并在风洞循环水槽内进行实验验证，进而以此为基础发展漂浮式风力机气动性能的计算方法，设计漂浮式风力机叶轮有效风速的测量/估算方法。本项目完成后，将深化本领域的研究，为漂浮式风力机的优化设计提供依据，为漂浮式风力机的精确控制提供条件。

海上风能作为一种持续、清洁、安全、经济、低碳的替代能源，具有战略价值。相对近岸浅水海域，近海深水海域的海上风能更加丰富、优质。因此，应用于近海深水海域的漂浮式风力机代表着海上风能产业的发展方向之一。漂浮式风力机受风、浪、流等环境载荷的联合作用，始终呈不规则运动状态。漂浮式风力机的平台运动将影响其气动性能。..本项目着重研究了漂浮式风力机平台运动对其叶轮气动性能的影响：第一，研究不同平台运动自由度对叶轮气动性能的影响，识别出平台纵荡、纵摇运动是影响叶轮气动性能的主要平台运动自由度；第二，针对显著影响叶轮气动性能的纵摇、纵荡运动的频率和幅值进行了数值计算研究；第三，针对显著影响叶轮气动性能的纵摇、纵荡运动的频率和幅值进行了风洞试验研究。此外，本项考虑了漂浮式风力机平台运动对其尾迹特性的影响：针对显著影响其尾迹特性的纵荡运动的频率、幅值进行了参数化研究。..本项目在研究中发现：第一，纵荡、纵摇运动会引起叶轮气动性能周期性变化；第二，常规叶素-动量理论在低频、小幅平台运动下的计算准确性尚可，在高频、大幅平台运动下的计算准确性较差；第三，平台迎风运动导致空气和叶轮之间的相对速度增加，可能发生叶轮动态失速现象；第四，平台顺风运动导致叶轮拍击尾迹场，可能发生叶轮-尾迹干扰现象。..本项目的上述结果可为漂浮式风力机的优化设计提供依据，为漂浮式风力机的精确控制提供条件。