现役风力发电塔架结构健康评估的基础研究

Many countries endeavor to develop renewable energy technologies. To use wind energy, China constructed many onshore wind farms and its total wind turbine capacity is the largest in the world. Engineering problems gradually emerge from wind energy industry, including those related to the structural reliability of turbine towers. It calls for robust structural health monitoring methods and effective vibration control strategies in order to improve structural resilience of wind turbine towers. This proposed research is expected to initiate a series of studies within this scope. The proposed work in this study includes: (1) Structural behaviors of in-service wind turbine towers and tower vibration mechanism under both environmental and operational loads, (2) Wind turbine tower numerical modeling techniques and model verification methods, and (3) Structural health assessment of wind turbine towers based on novel inspection and/or monitoring techniques. Theoretical analysis, numerical simulation, field testing, and lab tests will be combinedly used in this study. The proposed research will develop both numerical and scale-down physical wind tower models based on an in-depth examination of dynamic coupling issues between blades and a tower as well as complex damping characteristics of the wind turbine tower. With these models, structural condition evaluation methods will be investigated through integrally using both global and local parameters and by strategically combining structural inspection and monitoring. Applications of laser-based remote sensing techniques and wireless smart sensors for field testing of wind turbine towers are to be explored in this research. The outcomes of this proposed study will provide basic knowledge for developing technologies to enhance wind turbine tower structural resilience.

世界许多国家都在致力发展新能源技术，我国现有风电装机总量世界第一。年轻的风电工业开始暴露出工程安全问题，而作为主要支撑结构的风电塔架，其准确的结构健康状况评估和有效的防灾措施是涵待研究的课题。本项目旨在此范畴内进行前期基础性探索工作，研究内容包括：现役风电塔架结构特点及其在现实环境下振动机理、基于目标的风塔数值建模及模型确认技术、塔架结构健康评价方法。项目将借助激光遥感、无线传感器等新型试验手段，开展大量现场实测工作；结合实测分析、理论研究、数值模拟、模型试验，深入讨论风电塔低阻尼、振动耦合、土-结构相互作用等复杂物理现象，揭示风力发电塔架结构的破坏特征，研究风电塔架结构损伤识别方法。通过本课题，为深入开展旨在发展智能风电塔体系的健康监测系统及其控制技术的研究作积累。

我国是风电第一大国，风电塔结构健康状况评估和有效的防灾措施是保障我国风电产业可持续发展的重要课题。自然基金项目《现役风力发电塔架结构健康评估的基础研究》（51208382）的研究人员项目执行期间通过协同攻坚，完成以下工作：（1）对在役塔架结构进行了现场测试，获得了风电塔在现实环境下的振动特点，发展了风电塔振动参数识别方法；（2）根据风力发电塔现场测试的需要，发展了基于激光的结构非接触性测试手段，研究了基于无线检波器的场地土勘察的面波方法；（3）发展了基于实测信息的风力发电塔建模和模型修正方法，并在此基础上实现了结构健康抗震评估；（4）拓展研究了风电塔振动控制的被动方法，发展了一种新型的被动控制装置；（5）对风力发电塔所涉及的其他防灾问题进行了初步探讨，为未来课题的深入持续开展指明了方向。研究课题组选取一座65m高1.5 MW的现役风力发电塔为研究对象，先后6次赴现场进行振动测试，获得了大量的风电塔振动的一手数据，并发展了可以用于白噪和谐频混叠信号的分析方法，可以对不同运转状态下风电塔的振动参数进行识别。课题组结合调谐液体阻尼器（TLD）和颗粒阻尼器（PD），发展了一种新型被动减振装置（TL-PD），并通过试验论证了新型减振装置较好的鲁棒性。利用课题，共培养毕业硕士毕业生4人，课题组成员参加各类会议交流18人次，发表会议及期刊论文共26篇，其中SCI检索5篇、EI检索8篇。课题负责人以访问客座研究人员身份（Western Fellow）在加拿大西安大略大学合作研究1次，课题责任人还获得2013年度国际试验力学协会Harting Award以及2013年度上海市浦江人才计划。课题所发展的白噪和谐频混叠信号的分析方法是风电塔基于动力特性的健康监测的基础，而课题所提出的新型减振装置TL-PD则为是风电塔振动控制一种新型的技术措施。通过该项目研究，揭示了现役风电塔在实际环境中的振动特点，发展了风电塔抗震评估的方法，并指出了风电防灾方向还需解决的问题。课题的研究成果，对于增加风电塔维护的科技含量进而提高我国风能基础设施的防灾能力具有重要意义。