深海漂浮式風(fēng)力機(jī)研究及最新進(jìn)展

高 偉，李 春，葉 舟

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.大唐集團(tuán)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司技術(shù)研究院，山東青島 266000）

深海漂浮式風(fēng)力機(jī)研究及最新進(jìn)展

高 偉1，2，李 春1，葉 舟1

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.大唐集團(tuán)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司技術(shù)研究院，山東青島 266000）

海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的最新方向，隨著近海風(fēng)場(chǎng)深入開(kāi)發(fā)，風(fēng)場(chǎng)建設(shè)從近海到遠(yuǎn)海是其未來(lái)必然的發(fā)展趨勢(shì)，隨著海水深度的增加，風(fēng)力機(jī)必須采用漂浮式平臺(tái)作為基礎(chǔ)。本文較為系統(tǒng)地考察了國(guó)外深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的早期歷史、現(xiàn)狀及最新研究進(jìn)展，其中著重介紹了其理論分析、系統(tǒng)仿真和水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的研究，并進(jìn)一步指出現(xiàn)有研究的種種不足，據(jù)此提出新的研究方向和設(shè)想。

深海；漂浮式風(fēng)力機(jī)；系統(tǒng)仿真；水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)

1 前言

海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的最新方向，但按照目前近海風(fēng)電場(chǎng)所采用的各種固定于海底的貫穿樁結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法，整個(gè)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的成本將隨著海水深度增加而急劇上升，使深海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在經(jīng)濟(jì)上變得不可行，而將風(fēng)力機(jī)安裝在漂浮式平臺(tái)是解決這一問(wèn)題的有效途徑。因此，未來(lái)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的必然趨勢(shì)是“由陸向海、由淺到深、由固定基礎(chǔ)向漂浮式平臺(tái)”[1]，如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)力機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 The trends of the offshore wind turbine

同時(shí)，多兆瓦級(jí)深海漂浮式風(fēng)力機(jī)是一種具有戰(zhàn)略意義的新能源形式，對(duì)于充分利用我國(guó)廣闊的海洋國(guó)土，緩解我國(guó)的能源分布格局與能源需求存在著巨大矛盾具有重大的意義。

2 漂浮式風(fēng)力機(jī)早期研究歷史

美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)安默斯特分校的Heronemus在1972年最早提出海上大型漂浮式風(fēng)力機(jī)概念[2]：將很多小型風(fēng)力機(jī)集合安裝在一巨大的浮動(dòng)平臺(tái)上（如圖2所示）。20世紀(jì)80年代，美國(guó)FloWind公司與美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作分別開(kāi)發(fā)了100 kW和300 kW漂浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)，在美國(guó)加州兩大型風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行了500多臺(tái)低成本的漂浮式垂直軸風(fēng)力機(jī)，累計(jì)達(dá)170 MW[3]，但因該項(xiàng)目在美國(guó)加州政府1986年取消對(duì)風(fēng)電補(bǔ)貼后基本陷入停滯。

圖2 Heronemus海上大型漂浮式的風(fēng)力機(jī)概念Fig.2 Heronemus’s conceptual design of large-scale offshore floating wind turbine

隨著大型現(xiàn)代水平軸風(fēng)力機(jī)技術(shù)與工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，1988年，英國(guó)南安普敦大學(xué)的Satchwell在英國(guó)皇家航空學(xué)會(huì)論壇海上風(fēng)電大型項(xiàng)目研討會(huì)上指出，隨著未來(lái)海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展，必然會(huì)采取漂浮式平臺(tái)安裝技術(shù)[4]。1991年英國(guó)貿(mào)工部率先資助了大型漂浮式水平軸風(fēng)力機(jī)的項(xiàng)目研究[5]，克威爾內(nèi)油氣公司的Tong從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性兩方面考察獨(dú)立的海洋工程平臺(tái)安裝大型水平軸風(fēng)力機(jī)以及在英國(guó)北海地區(qū)布置9臺(tái)風(fēng)力機(jī)組成的海上風(fēng)電場(chǎng)的可行性[6]。英國(guó)斯特拉思克萊德大學(xué)的Barltrop則設(shè)想在不同的鋸齒型浮體平臺(tái)結(jié)構(gòu)上安裝數(shù)個(gè)風(fēng)力機(jī)（見(jiàn)圖3a），構(gòu)成所謂的多單元海上漂浮式風(fēng)電場(chǎng)，研究了風(fēng)力機(jī)不同布置方式對(duì)氣動(dòng)性能的可能影響[7]；意大利學(xué)者們則提出了在水深30～100 m區(qū)域選擇使用環(huán)形漂浮體結(jié)構(gòu)Eolomar平臺(tái)（見(jiàn)圖3b），并在該漂浮平臺(tái)上安裝數(shù)臺(tái)風(fēng)力機(jī)[8]，由于實(shí)施成本高昂，以上方案僅停留在項(xiàng)目設(shè)想和概念設(shè)計(jì)階段。

圖3 多單元海上漂浮式風(fēng)電場(chǎng)Fig.3 Multi-unit floating offshore wind farm

3 漂浮式風(fēng)力機(jī)研究現(xiàn)狀

最近十多年比較有代表性的漂浮式風(fēng)力機(jī)概念設(shè)計(jì)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。由此可知，目前漂浮式風(fēng)力機(jī)研究主要集中在歐洲北海附近國(guó)家、美國(guó)和日本，我國(guó)此方面的理論研究尚屬起步階段。

3.1 漂浮式風(fēng)力機(jī)在歐洲的研究

1998年，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的Halfpenny開(kāi)始從系統(tǒng)整機(jī)建模和水動(dòng)力學(xué)角度研究海上風(fēng)力機(jī)，并借鑒海洋工程的頻域分析方法，對(duì)淺海和漂浮式風(fēng)力機(jī)水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，可以看做是現(xiàn)代漂浮式風(fēng)力機(jī)理論研究的先聲[10]。2000年，Henderson延續(xù)前者的研究工作，指出單一的漂浮體結(jié)構(gòu)安裝風(fēng)力機(jī)的方法，在減少平臺(tái)和系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有較大的優(yōu)勢(shì)[11]，此后的漂浮式風(fēng)力機(jī)基本上都傾向于采用獨(dú)立平臺(tái)設(shè)計(jì)。2006年，英國(guó)斯特拉思克萊德大學(xué)的Vijfhuizen進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一個(gè)基于駁船平臺(tái)的5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[12]，其特點(diǎn)是可以結(jié)合其他形式海洋能源進(jìn)行發(fā)電。

2002年，荷蘭能源研究中心、荷蘭海洋工程研究院和荷蘭代爾夫特大學(xué)等機(jī)構(gòu)共同發(fā)起Drijvende漂浮式風(fēng)力機(jī)研究項(xiàng)目[13]，即荷蘭三角架平臺(tái)漂浮式風(fēng)力機(jī)概念設(shè)計(jì)項(xiàng)目，利用QUAESTOR知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，采用基于頻域算法的響應(yīng)振幅算子（RAOs）作為平臺(tái)設(shè)計(jì)分析的主要參數(shù)，建立平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模式的六自由度剛體振幅標(biāo)準(zhǔn)偏差模型。后來(lái)很多研究者延續(xù)這個(gè)概念設(shè)計(jì)，或者采用偏心式布置風(fēng)力機(jī)，直接將風(fēng)力的塔架作為平臺(tái)支架的一部分，或采用更多浮柱增加平臺(tái)穩(wěn)定性，如Blue-H漂浮式風(fēng)力機(jī)就是采用6個(gè)柱子的漂浮式平臺(tái)[14]。作為該項(xiàng)目工作的延續(xù)，文獻(xiàn)[15]通過(guò)計(jì)算葉片的空氣動(dòng)力荷載和慣性荷載，研究了漂浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的影響，發(fā)展了計(jì)算漂浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起的疲勞載荷和極端荷載的分析方法。

2005年，丹麥技術(shù)大學(xué)的Chen Zhenzhe對(duì)美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NREL）張力腿（TLP，tension leg platform）、荷蘭三角架平臺(tái)和日本浮柱（spar）3種深海漂浮式平臺(tái)進(jìn)行了平臺(tái)結(jié)構(gòu)在風(fēng)力機(jī)和波浪荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)特性對(duì)比研究[16]，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型采用二維集中質(zhì)量模型方法，氣動(dòng)模型采用簡(jiǎn)單的動(dòng)量葉素理論，水動(dòng)力模型在分別采用規(guī)則線性波和“北海聯(lián)合海浪計(jì)劃”不規(guī)則浪譜方法。研究表明：在不規(guī)則波環(huán)境下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)是由風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)荷載的基頻分量引起的；由于漂浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，作用在風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速波動(dòng)將引起輸出功率的波動(dòng)，此為海上風(fēng)電機(jī)組浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)[17]。Psichogios在后續(xù)的研究中，主要利用水池實(shí)驗(yàn)研究了TLP平臺(tái)的水動(dòng)力特性，研究發(fā)現(xiàn)：模型可承受5.5 m/s穩(wěn)態(tài)風(fēng)和1.4～3.8 m/s陣風(fēng)不至傾覆，傾覆角與水深高度相關(guān)，原因是由于張力腿的剛度隨著深度變化而變化；風(fēng)力機(jī)所受的氣動(dòng)力與理論計(jì)算值相近，但發(fā)電功率遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，可能由于傳動(dòng)軸的摩擦力偏大造成[18]。在此項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，Ramachandran等進(jìn)一步研究TLP平臺(tái)耦合風(fēng)浪載荷的三維響應(yīng)特性[19]。Akin則利用丹麥水利研究所開(kāi)發(fā)的MIKE 21 SW軟件，對(duì)布置在北海德國(guó)灣深水海域海上風(fēng)力機(jī)極端風(fēng)況與波浪載荷進(jìn)行研究，并將研究結(jié)果與HAWC 2軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，研究結(jié)果表明：在穩(wěn)態(tài)風(fēng)和規(guī)則波條件下，兩者計(jì)算值可以控制在20%以內(nèi)，當(dāng)采用湍流風(fēng)和不規(guī)則波時(shí)，計(jì)算結(jié)果差異較大，原因在于軟件建模的自由度有很大差別[20]，這一點(diǎn)也說(shuō)明在深海漂浮式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中，評(píng)價(jià)不同的設(shè)計(jì)工具需要有更為一致的標(biāo)準(zhǔn)。

2006年，挪威國(guó)家石油公司的Nielsen、Hanson和Skaare為配合HyWind項(xiàng)目，采用SIMO/RIFLEX/HAWC2耦合分析軟件包對(duì)深海漂浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行整機(jī)動(dòng)力學(xué)研究，其中SIMO為水動(dòng)力計(jì)算模塊，RIFLEX為結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊，HAWC2為風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)計(jì)算模塊[21]，后續(xù)研究證實(shí)以上軟件包的計(jì)算結(jié)果與水池實(shí)際測(cè)量值基本吻合，有足夠的可信性[22]。

2011年，挪威科技大學(xué)的Linde則利用SIMO軟件參與IEA Wind Annex XXIII（國(guó)際能源署風(fēng)能第23任務(wù)組）第二子任務(wù)組的海上風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)程序比較（OC3，Offshore Code Comparison Collaboratio）項(xiàng)目，研究了基準(zhǔn)的5 MW Spar平臺(tái)漂浮式風(fēng)力機(jī)的水動(dòng)力特性，并與水池實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者有比較大的差別[23]。類似的，Solberg則利用HydroD/DeepC/TDHMILL3d組合程序參與OC3項(xiàng)目的研究，其中HydroD水動(dòng)力計(jì)算模塊，用于計(jì)算平臺(tái)的水動(dòng)力系數(shù)，提供給DeepC程序；TDHMILL3d為一動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)程序，主要將風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)計(jì)算載荷傳遞給DeepC程序，DeepC為耦合平臺(tái)和系泊系統(tǒng)的時(shí)域分析軟件。研究顯示：在160 m和320 m兩種水深中，兩種風(fēng)力機(jī)平臺(tái)的各自的水動(dòng)力特性并無(wú)明顯變化，但在給定的風(fēng)況條件下，半潛式平臺(tái)的縱搖和縱蕩運(yùn)動(dòng)較大，而Spar平臺(tái)則有劇烈的艏搖運(yùn)動(dòng)[24]。Karimirad 利用 SIMO（DeepC）/RIFLEX/HAWC2深入研究了兩種系泊方式的Spar平臺(tái)漂浮式風(fēng)力機(jī)，研究結(jié)果表明：采用張力式系泊浮柱平臺(tái)比懸鏈?zhǔn)较挡锤≈脚_(tái)擁有更好的水動(dòng)力性能，而且可以降低建造成本[25]。

2009年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Matha在NREL和國(guó)際能源署的資助下利用美國(guó)風(fēng)能技術(shù)中心的AeroDyn/HydroDyn/FAST全耦合分析軟件研究了麻省理工學(xué)院（MIT）/NREL張力腿式漂浮式風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)特性，并與一般TLP、ITI駁船、Spar平臺(tái)風(fēng)力機(jī)和陸上風(fēng)力機(jī)進(jìn)行比較，證明MIT/NREL張力腿式漂浮式風(fēng)力機(jī)是一種比較好的概念設(shè)計(jì)。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)控制策略對(duì)漂浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的波浪響應(yīng)有較大影響，高于額定風(fēng)速的葉片變槳控制策略會(huì)引起較大的諧振響應(yīng)，從而降低結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[26]。

3.2 漂浮式風(fēng)力機(jī)在美國(guó)的研究

2001年，MIT的Sclavounos提出了兩種不同的雙弦腿浮體平臺(tái)的漂浮式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方案[27]，雙弦腿浮體平臺(tái)兼具張力腿和浮柱兩種平臺(tái)的特點(diǎn)，成為美國(guó)NREL后續(xù)研究的重點(diǎn)。

NREL則在2004年開(kāi)始進(jìn)行深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的可行性研究[28]，并進(jìn)行相應(yīng)的工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[29]，研究成果表明：漂浮式風(fēng)力機(jī)的概念設(shè)計(jì)可依據(jù)其水動(dòng)力特性將其劃分為張力腿、浮柱、駁船平臺(tái)模型以及三者的組合模型，并需要綜合考慮，這為漂浮式風(fēng)力機(jī)的理論建模和試驗(yàn)研究提供了新的研究思路。

MIT后來(lái)的一系列研究則集中于漂浮式風(fēng)力機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析模型的建立和相關(guān)全耦合設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)[30]。文獻(xiàn)[31]首先提出了基于海洋水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的耦合算法計(jì)算深海構(gòu)筑物動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并計(jì)算出3種不同海況情況下平臺(tái)6個(gè)自由度的響應(yīng)振幅算子，與固定平臺(tái)上安裝的海上風(fēng)力機(jī)比較，證明漂浮式風(fēng)力機(jī)開(kāi)發(fā)在技術(shù)上是完全可行的。文獻(xiàn)[32]則使用MIT開(kāi)發(fā)的swim motions lines（SML）水動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)基于兩種雙弦腿浮體平臺(tái)設(shè)計(jì)的1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的5種不同海況條件下的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，特別給出了考慮風(fēng)和波浪的雙重?cái)_動(dòng)下平臺(tái)的非線性水動(dòng)力學(xué)特性。文獻(xiàn)[33]考慮動(dòng)力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性兩方面因素，分別對(duì)比了TLP平臺(tái)設(shè)計(jì)和駁船平臺(tái)的5 MW漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在3種不同海況情況下，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的年發(fā)電量進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[34]提出采用美國(guó)NWTC軟件包結(jié)合商用MSC.ADMAS軟件，建立風(fēng)力機(jī)氣彈—水動(dòng)力全耦合仿真系統(tǒng)的思想，并探討了相應(yīng)的理論模型。文獻(xiàn)[35]利用上述工具，對(duì)MIT/NREL淺水駁船和MIT/NREL TLP平臺(tái)模型性能進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比計(jì)算，但是沒(méi)有考慮極端載荷條件的水動(dòng)力學(xué)性；文獻(xiàn)[36]進(jìn)一步利用WAMIT水動(dòng)力計(jì)算軟件、NWTC的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)－結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件包和MSC.ADAM，建立并實(shí)現(xiàn)了建立氣動(dòng)—水動(dòng)—伺服—彈性全耦合仿真系統(tǒng)的設(shè)想，并利用該系統(tǒng)研究隨機(jī)風(fēng)浪環(huán)境下漂浮式風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)由于NWTC.FAST軟件采用模態(tài)分析方法，由于在葉片建模中才用到自由度較少制約了仿真結(jié)果。文獻(xiàn)[37]利用上述氣動(dòng)—水動(dòng)—伺服—彈性全耦合仿真系統(tǒng)計(jì)算了兩種不同形式的深水駁船平臺(tái)（ITI Energy Barge和MIT/NREL SDB），特別計(jì)算兩種駁船的極端海況條件下的水動(dòng)力載荷特性，并考慮變槳控制對(duì)水動(dòng)力特性的影響。

與MIT研究不同，馬薩諸塞大學(xué)安默斯特分校的Sebastian和Lackner采用自由尾跡理論作為耦合分析系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)模型算法[38]，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的算法模塊wake induced dynamics simulator（WInDS），并與歐洲MEXICO風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在部分測(cè)試工況計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差僅在5%[39]，并利用WInDS/FAST耦合求解ITI能源駁船、Hy-Wind Spar-Buoy平臺(tái)NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)性能；算例顯示：該程序不但可以得到滿意的結(jié)果，也可以得到非定常的風(fēng)力機(jī)尾跡演化特性[40]。

2006年，美國(guó)Concept Marine Associates Inc.公司的Fulton等在延續(xù)海上石油天然氣半潛式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)思路給出的半潛式張力腿平臺(tái)漂浮式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方案[41]，美國(guó)加州海洋創(chuàng)新技術(shù)公司與美國(guó)航空環(huán)境公司的研究人員在2006年采用基于墨西哥灣暴風(fēng)模型的傅立葉譜分析方法，分析可工作在2 300 m水深的平臺(tái)（它是布置了3臺(tái)風(fēng)力機(jī)的三角形水泥混凝土TLP漂浮式平臺(tái)）的動(dòng)力響應(yīng)[42]，用Runge-Kutta方法計(jì)算了縱蕩、橫蕩和垂蕩響應(yīng)以及縱搖、橫搖和垂搖運(yùn)動(dòng)，得出在不同風(fēng)浪荷載的系泊系統(tǒng)的錨鏈張力，對(duì)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值。

3.3 漂浮式風(fēng)力機(jī)在日本的研究

東京大學(xué)自2004年對(duì)三角形多風(fēng)機(jī)半潛式海工平臺(tái)水動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究[43]，并進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)[44]和數(shù)值計(jì)算[45]，后又對(duì)單體漂浮平臺(tái)水動(dòng)特性進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖4）[46]，從經(jīng)濟(jì)性和可靠性角度看，后者優(yōu)于前者。

為了更好地促進(jìn)海上風(fēng)力發(fā)電的國(guó)際合作，IEA于2005年成立了由DTU瑞索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Ris?）和NREL發(fā)起成立的風(fēng)能第23任務(wù)組。目前由21個(gè)國(guó)家和兩個(gè)國(guó)際組織組成，已經(jīng)完成海上風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比[47]，單樁[48]、四腳架[49]、漂浮式海上風(fēng)力機(jī)[50]等計(jì)劃中的前四階段任務(wù)，目前已經(jīng)進(jìn)入新的OC4研究階段。目前我國(guó)尚沒(méi)有研究人員與機(jī)構(gòu)參與其中，與國(guó)外差距日益增大。

國(guó)內(nèi)對(duì)漂浮式風(fēng)力機(jī)的研究則剛剛起步，主要集中于理論和水池實(shí)驗(yàn)研究。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)[51]、哈爾濱工程大學(xué)[52]和上海理工大學(xué)[53]為較早開(kāi)展相關(guān)研究的學(xué)校，此外，大連理工大學(xué)[54]、重慶大學(xué)[55]、解放軍工程大學(xué)[56]也有相關(guān)研究論文發(fā)表。

4 漂浮式風(fēng)力機(jī)的水池與數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究

圖4 三角形半潛式海洋平臺(tái)研究（單位：mm）Fig.4 Research of Semi-submersible triangle offshore platform（unit：mm）

鑒于深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行海域的惡劣環(huán)境，其所受各種載荷非常復(fù)雜，為降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)與成本，水池實(shí)驗(yàn)和基于多體動(dòng)力學(xué)的整機(jī)仿真或數(shù)字樣機(jī)技術(shù)都被廣泛應(yīng)用于深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中。因此，深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的理論建模、軟件仿真和水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，三者相互依賴，互為補(bǔ)充。

4.1 模型水池實(shí)驗(yàn)研究

作為最早商用漂浮式風(fēng)力機(jī)項(xiàng)目，挪威國(guó)家石油公司的HyWind漂浮式風(fēng)電機(jī)組自2009年9月起在挪威海岸附近的北海220 m水深環(huán)境中進(jìn)行試運(yùn)行[57]。在此項(xiàng)目預(yù)研階段，采用水池實(shí)驗(yàn)與軟件仿真方法系統(tǒng)地研究了漂浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性及對(duì)風(fēng)浪組合荷載的響應(yīng)（見(jiàn)圖5a），該項(xiàng)目的軟件仿真與水池實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法對(duì)后續(xù)研究有較大的借鑒意義。與之類似，前述美國(guó)加州海洋創(chuàng)新技術(shù)公司2009年開(kāi)發(fā)了Windfloat平臺(tái)，也參照上述流程，進(jìn)行了相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)與選型計(jì)算[58]、水池實(shí)驗(yàn)（如圖5b所示）和水動(dòng)力計(jì)算[59]和整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算[60]。此外，德國(guó)Grossmann Ingenieur Consult GmbH公司的漂浮式風(fēng)力機(jī)安裝平臺(tái)非常有特色，并在2012年3月在漢堡船模水池完成1∶20模型水池實(shí)驗(yàn)[61]，這表明在未來(lái)，深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的海工平臺(tái)將會(huì)獨(dú)立成為一個(gè)行業(yè)。

圖5 漂浮式風(fēng)力機(jī)的水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)Fig.5 Hydrodynamic experiments of floating wind turbine

目前，已知的關(guān)于漂浮式風(fēng)力機(jī)的水池實(shí)驗(yàn)，詳見(jiàn)表1，模型比尺在1∶20到1∶150不等，估計(jì)隨著開(kāi)發(fā)的風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率越來(lái)越大，未來(lái)的模型比尺將不得不超過(guò)1∶150，因?yàn)樾∧Ｐ退貙?shí)驗(yàn)仍會(huì)是未來(lái)漂浮式風(fēng)力機(jī)水池實(shí)驗(yàn)一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

4.2 設(shè)計(jì)軟件

現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)正日益呈現(xiàn)大型化和智能化趨勢(shì)，這意味著原有的工程設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)控制手段將逐漸被現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件和控制軟件替代。風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件作為體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具的一種載體，已經(jīng)在現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)行業(yè)處于核心位置，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)海上漂浮式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件是進(jìn)行該領(lǐng)域研究的基本條件之一。

現(xiàn)有的深海漂浮式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件主要有德國(guó)勞氏船級(jí)社的GH.Bladed軟件、美國(guó)NREL的NWTC.FAST軟件與MSC.ADAMS組合、挪威海洋工程研究所的SIMO/RIFLEX軟件與丹麥科技大學(xué)的HAWC/HAWC2或FLEX5組合、以及挪威船級(jí)社（DNV）的SESAM.DeepC軟件、挪威生命科學(xué)大學(xué)的3Dfloat軟件等，其他類似的設(shè)計(jì)軟件或組合詳見(jiàn)文獻(xiàn)[63]。

表1 漂浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)[62]Table 1 Technical specifications of floating wind turbine hydrodynamic experiments[62]

雖然這些軟件功能各不相同。但基本由4大功能模塊組成，即氣動(dòng)模塊、水動(dòng)力模塊、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模塊和控制模塊（如表2所示），其采用的算法多半相近，但由于對(duì)于深海漂浮式風(fēng)力機(jī)整體動(dòng)力學(xué)的耦合機(jī)理和解耦機(jī)制尚無(wú)深入全面的研究。以上所有開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軟件或其組合基本都采用界面耦合方法，即分別在風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)—平臺(tái)結(jié)構(gòu)和平臺(tái)結(jié)構(gòu)—水動(dòng)力學(xué)界面上設(shè)置約束條件，強(qiáng)行耦合，各系統(tǒng)獨(dú)立計(jì)算，或者采用迭代計(jì)算方法，先算某種效應(yīng)，然后再折合為附加質(zhì)量或者附加載荷方法考慮計(jì)算其他一種效應(yīng)，故而無(wú)法準(zhǔn)確反映其耦合機(jī)制本質(zhì)和影響。有必要開(kāi)發(fā)更有效的全耦合算法和仿真模型用于深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和認(rèn)證。

表2 海上風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與仿真軟件架構(gòu)及模塊[50]Table 2 Software architecture and module of offshore wind turbine design and simulation[50]

表2中，氣動(dòng)模塊采用動(dòng)量葉素理論和廣義動(dòng)態(tài)尾跡理論，部分軟件考慮動(dòng)態(tài)失速修正，但普遍缺乏反映長(zhǎng)柔葉片和高塔架氣動(dòng)彈性的算法；水動(dòng)力模塊多采用線性波理論與Mrison方程相結(jié)合的方法，個(gè)別軟件（GH.Bladed）進(jìn)一步考慮了海流影響。部分來(lái)自船舶和海洋平臺(tái)計(jì)算軟件，則采用了波輻射和散射修正的線性勢(shì)流理論結(jié)合Mrison方程的方法，但由于漂浮式風(fēng)力機(jī)的上部結(jié)構(gòu)的特殊性，該算法的有效性存疑；結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模塊中的風(fēng)力機(jī)與漂浮式平臺(tái)采用有限元方法（FEM）或者多體動(dòng)力學(xué)方法，系泊系統(tǒng)采用準(zhǔn)靜態(tài)懸鏈線方程。風(fēng)力機(jī)專用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)軟件（NWTC.FAST和GH.Bladed）則采用假設(shè)模態(tài)法與多體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，而船舶和海洋工程計(jì)算軟件由于對(duì)系泊系統(tǒng)計(jì)算要求較高，則采用用戶自定義力與位移關(guān)系方法計(jì)算系泊系統(tǒng)載荷，工作量大且難以掌握；控制模塊基本都采用GH.Bladed格式的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）方法導(dǎo)入仿真模塊，有些軟件則提供用戶自定義格式（UDF）的控制文件。

4.3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

漂浮式風(fēng)力機(jī)是復(fù)雜的氣動(dòng)—彈性—波浪—海流—系泊相互作用（氣動(dòng)—彈性—水動(dòng)力學(xué)相互耦合）的多柔體系統(tǒng)[64]。在流體自由表面上，該系統(tǒng)在自身浮力、重力及系泊力作用下處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各種擾動(dòng)（風(fēng)—波—流）都具有非定常、強(qiáng)非線性的特點(diǎn)。物理上屬具有自由表面流體與柔性體的耦合問(wèn)題。其機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜：柔性體（彈性體）的變形運(yùn)動(dòng)作為邊界條件導(dǎo)致其周圍流場(chǎng)的改變，同時(shí)流場(chǎng)作用在柔性體表面的壓力分布又影響其變形運(yùn)動(dòng)，二者同時(shí)作用，難以分離。又因柔性體抗彎剛度較小，與流體作用過(guò)程中易產(chǎn)生大位移變形。因此，必須求解變形運(yùn)動(dòng)的高階偏微分控制方程。流體和柔性體邊界的相互耦合作用使得求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程時(shí)必須考慮流場(chǎng)壓力的改變，同理求解周圍流場(chǎng)時(shí)也不能忽略彈性體邊界的影響。若考慮流場(chǎng)的非定常特性，則問(wèn)題會(huì)更加復(fù)雜。因此，對(duì)于該類問(wèn)題，必須同時(shí)求解流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制方程，或者采用有效的解耦算法。

雖然流固耦合問(wèn)題的數(shù)值算法比較成熟，如差分方法（風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)計(jì)算時(shí)常用）、邊界元算法（水動(dòng)力學(xué)計(jì)算常用）和FEM（整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算常用）等，但是由于現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)尺度上特別巨大（5 MW風(fēng)力機(jī)葉輪直徑超過(guò)120 m，塔架接近90 m），在空間域上離散需要大量網(wǎng)格，大型機(jī)以下計(jì)算工具無(wú)法滿足其計(jì)算需要，所以相關(guān)漂浮式風(fēng)力機(jī)的整機(jī)計(jì)算流體力學(xué)/計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)耦合計(jì)算還未見(jiàn)相關(guān)研究；此外，由于流體控制方程對(duì)流項(xiàng)的存在及保證流固耦合計(jì)算的穩(wěn)定性和計(jì)算精度要求采用較小時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算非常耗時(shí)；最后，在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要反復(fù)對(duì)產(chǎn)品深化設(shè)計(jì)或者改型計(jì)算，數(shù)值算法顯然無(wú)法滿足以上要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鑒于深海風(fēng)能開(kāi)發(fā)的急迫需要，對(duì)于漂浮式風(fēng)力機(jī)的研究需求日益迫切，但是現(xiàn)有的研究明顯存在以下不足。

1）目前深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的很多概念設(shè)計(jì)基本上都屬于延續(xù)海洋石油工業(yè)領(lǐng)域以往經(jīng)驗(yàn)的做法，即將風(fēng)力機(jī)安裝在海洋石油平臺(tái)上。由于海洋石油平臺(tái)的體積相對(duì)于漂浮式風(fēng)力機(jī)而言比較龐大，直接采用該平臺(tái)會(huì)增加建設(shè)成本；另外深海漂浮式風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷要遠(yuǎn)高于海洋平臺(tái)，但是水動(dòng)力載荷則小于后者。因此，機(jī)械的采用原有的海洋石油平臺(tái)的水動(dòng)力計(jì)算方法，無(wú)法真實(shí)反映深海漂浮式風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。

2）但相對(duì)于陸上風(fēng)力機(jī)和淺海風(fēng)力機(jī)，目前尚無(wú)深海漂浮式風(fēng)力機(jī)（歐洲以50 m，美國(guó)則以60 m劃分）的設(shè)計(jì)方法和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）海上風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求（IEC 61400-3—2009），德國(guó)勞氏船級(jí)社海上風(fēng)力機(jī)認(rèn)證準(zhǔn)則（GL Rules and Guidelines IV2，2007），DNV海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（DNV-OS-J101—2007）和德國(guó)聯(lián)邦海事與水運(yùn)署（BSH）海上風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（BSH 7005—2007）和海上風(fēng)電場(chǎng)勘察準(zhǔn)則（BSH 7004—2008）主要是針對(duì)近岸或淺海風(fēng)力機(jī)。

3）盡管我國(guó)早在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)，如中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心開(kāi)發(fā)的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件包和汕頭大學(xué)開(kāi)發(fā)的風(fēng)力機(jī)全系統(tǒng)載荷分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包及后續(xù)系列模塊，但是從整體上看，從軟件功能、易用性和版本更新等都略遜于國(guó)外同類軟件。一定程度上造成了目前我國(guó)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域都嚴(yán)重依賴于國(guó)外相關(guān)公司，須予以足夠的重視。

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The current situation and latest research of deep-sea floating wind turbine

Gao Wei1，2，Li Chun1，Ye Zhou1

（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Technology Research Institute，China Datang Group Creative Wind Energy Co.，Ltd.，Qingdao，Shandong 266000，China）

Offshore wind farm is the latest direction of the wind power technology，with the further development of offshore wind farms technology，it is inevitable that future trend of offshore wind farms from offshore to deep sea.With increasing of sea-water depth，the cost of wind farm construction increased.The technology of floating wind turbine is an effective way to solve this problem.This paper systematically describes that early history，current situation and latest research of deep-sea floating wind turbine in the foreign academics，focuses on its theoretical analysis，simulation and hydrodynamic experimental，further refers to the shortcomings of that studies，accordingly propose some new research directions and ideas.

deep sea；floating wind turbine；system simulation；hydrodynamic experiments

TK83

A

1009-1742（2014）02-0079-09

2012-09-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E51176129）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（博導(dǎo)類）（20123120110008）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAA01B01）；上海市教委科研創(chuàng)新（重點(diǎn)）項(xiàng)目（13ZZ120）

高 偉，1978年出生，男，山東乳山市人，博士，主要從事海上風(fēng)力機(jī)研究；E-mail：gawain_gao@hotmail.com