海上浮式風機研究現狀展望——基于南海海域

袁劍平，毛鴻飛，潘新祥，賈寶柱，紀 然，赫巖莉

海上浮式風機研究現狀展望——基于南海海域

袁劍平1，毛鴻飛1，潘新祥2，賈寶柱2，紀 然2，赫巖莉1

（1. 廣東海洋大學海洋工程學院，廣東 湛江 524088；2. 廣東海洋大學海運學院，廣東 湛江 524088）

【】總結和展望海上浮式風機研究的現狀和未來發展趨勢。對海上浮式風機空氣動力學和水動力學特性的國內外研究進展進行綜述，總結已獲得的研究成果以及研究中存在的不足和局限。結合海上風機研究現狀以及我國南海海域環境特征，展望南海海域浮式風機結構和錨泊系統受荷載特征研究方向。建議以研究多樣化、區域特色化和裝備智能化作為海上浮式風機動力特性研究方向。針對海上浮式風機動力特性研究對工程結構設計和工程安全具有重要的指導意義。

海洋工程；浮式風機；南海海域；智能化；空氣動力學；水動力學

風能作為清潔能源和可再生資源，具有儲量豐富、利用率高等諸多優點。我國的風能資源儲量為3.226×1012W，其中工程實際可開發電量為2.53×1011W，開發潛力巨大[1]。利用風能發電的風機結構主要形式分為兩種，即陸地風機和海上風機。海上風機相比陸地風機對土地資源需求更少，受風場要求等客觀限制也相對更小。隨著海洋資源開發的不斷擴張，對清潔能源的需求量不斷加大，我國海上風機的建設以及支持力度都在逐漸加大，設計理念、關鍵性技術以及配套產品已經日漸成熟。在設備生產和安裝成本降低的條件下，對海上風機的研究和應用都成為海洋工程領域所關注的熱點問題。按照固定形式不同，海上風機又可分為固定式風機（圖1 a）和浮式風機（圖1 b）。隨著我國對海域使用管理的嚴格化和規范化，近岸海域的開發和使用受到了嚴格限制，深海海域的開發則成為海洋資源開發的重點。由于深海情況下固定式風機成本極高，其建設已經逐漸減少，浮式風機得益于其可以以較低成本適應于深海海域環境、風能利用率較高和發電效率穩定等優點，已成為當今海洋風電所主要使用的發電裝置。

根據我國《可再生能源發展“十三五”規劃》，截至2020年，我國海上風電開工建設的目標規模10 GW，確保并網5 GW。要達到并網容量目標，2017—2020年海上風電機并網容量復合增長率將達到32%。這對我國海上風機發電效率及風機結構的穩定性和安全性提出了更高要求。盡管國內外對于海上浮式風機動力特性已有諸多研究，但一些關鍵性問題仍有待于解決，一些關鍵技術還需進一步優化，如風機在特殊海域環境下的動力特性及風機智能化自驅動研究等。因此，開展對海上風機基礎設施性能研究，對提高風機工作效率和安全性有重要意義。

本研究系統分析了國內外海上浮式風機性能研究中存在問題，結合我國南海海域實際海況特征，對海上風機結構穩定性和錨泊系統安全性研究提出合理化建議；從研究問題和理論方法多樣化角度尋求海上浮式風機研究方向；提出智能化風機發展方向，旨在為海上浮式風機動力特性研究提供方向，對工程結構設計和工程安全有重要指導意義。

1 海上浮式風機研究現狀

海上浮式風機由風機葉片、主體結構、浮式基礎結構和錨泊系統構成，如圖2所示。工作時，風機上的葉片受到氣流的作用，作用力會傳遞到主體結構上，浮式平臺受到流體的作用，作用力會傳遞給錨泊系統。因此，對海上浮式風機的研究分為空氣動力學研究、水動力學研究、錨泊系統研究以及耦合研究。

1.1 風機空氣動力學研究現狀

對風機葉片的空氣動力特性開展的早期研究多基于動量—葉素理論和渦尾跡方法開展。Glauert[2]提出了動量—葉素理論，并運用于葉片旋轉運動中空氣流動的分析。Wilson等[3]基于動量—葉素理論對風機葉片的空氣動力學問題進行了研究。Gohard[4]采用渦尾跡方法對風機葉片的空氣動力學問題開展了解析研究。Gupta[5]采用渦尾跡方法對風機葉片的非定常空氣流動開展了計算研究。

近年來，基于流體運動理論的方法也用于風機空氣動力學研究中，流體運動理論可分為勢流理論和黏性流理論，前者基于理想流體假設建立，即流體無黏和流動無旋，后者考慮流體黏性和流動有旋性。Preuss等[6]和Whale等[7]分別基于勢流理論對定常和非定常流作用下的葉片受力、運動以及空氣流動特征開展了研究。但由于無法考慮黏性效應，基于勢流理論的研究仍存在預測準確性上的問題。因而，近年來基于黏性流理論對風機空氣動力學的研究被相應地提出并得到開展。Lu等[8]基于黏性流理論對均勻氣流作用下風機葉片運動和尾部氣流形態特性開展了研究。任年鑫[9]基于黏性流理論建立了二維數值計算模型，并對翼型結構空氣動力學特性開展了研究。Zhou等[10]基于黏性流理論建立了三維數值計算模型，并對風機葉片分別在順風氣流和逆風氣流作用下的運動以及氣流流場特征開展了研究。

1.2 浮式風機水動力學研究現狀

浮式風機的浮式平臺基礎結構包括單柱式（Spar）基礎、張力腿式（TLP）基礎和半潛式（Semi-sub）基礎，如圖3所示，不同的基礎結構形式適用于不同深度的海域。對于風機浮式基礎結構的水動力學研究是當今海洋工程領域的熱點和難點問題。對于海洋中受到流和波浪的作用的浮式結構，尤其在深海海域，較大速度的流和強非線性波浪作用下結構上流體作用荷載和運動響應是工程安全性研究所考察的重點問題。

圖1 海上風機

圖2 浮式風機結構

圖3 浮式風機基礎結構示意

浮式基礎結構水動力特性研究的基礎流體運動理論為勢流理論和黏性流理論。早期對浮式基礎結構的流體荷載和運動響應的研究大多基于勢流理論開展。阮勝福[11]基于勢流理論采用三維計算模型研究了浮式基礎結構在波流共同作用下的流體作用力和運動響應特征。何江賢[12]基于勢流理論建立了三維數值計算模型，并對波流作用下浮式基礎結構的水動力特性開展了研究。由于波浪與浮式基礎結構相互作用時可能存在波浪破碎、越浪和氣液摻混等復雜自由面問題，并且在流固相互作用過程中可能存在黏性效應和比尺效應等問題，這些均是基于勢流理論建立的研究方法所無法實現和考慮的，因而黏性流理論越來越多地被應用于浮式基礎結構的水動力特性研究中。Bredmose等[13]基于黏性流理論采用VOF自由面捕捉方法考察了波浪對浮式基礎結構的沖擊作用和波浪破碎現象。Tran等[14]基于黏性流理論對波浪作用下半潛式風機基礎結構的水動力特性開展了數值研究，并將黏性流結果與勢流理論下的結果進行了對比分析。Cheng等[15]考慮了風機的上部葉片分別處于工作和非工作兩種狀態，基于黏性流理論對浮式基礎結構的水動力特性開展了數值計算研究。Dunbar等[16]基于黏性流理論建立了三維數值模型，對水深較大情況下半潛式風機基礎結構的水動力特性開展了數值研究，通過與商業軟件計算結果的對比，驗證了其模型的正確性。

1.3 錨泊系統水動力學研究現狀

為了簡化模型，通常將錨泊系統分為細長桿和懸鏈線兩種形式來開展研究。早期的研究以細長桿錨泊模型為主，Garrett[17]提出了具有彈性并可以改變為任意形狀的細長桿錨泊模型，可以考慮錨泊拉力和流體荷載，并應用于相應的研究中。Arcandra[18]將Garrett[17]提出的細長桿模型加以改進，考慮材料的非線性，并研究了錨泊在流體作用下的應力應變特性。隨著計算求解方法的不斷進步，懸鏈線錨泊模型被提出并廣泛應用于錨泊系統的水動力學研究中。Smith等[19]基于勢流理論采用拉格朗日迭代法對懸鏈線錨泊的水動力特性開展了解析研究。Chai等[20]考慮了柔性材料，基于勢流理論提出了懸鏈線錨泊分別處于完全懸垂和部分著底狀態下荷載的計算方法。Brommundt[21]等基于勢流理論優化了懸鏈線錨泊模型，并對半潛式基礎結構在波浪作用下的水動力特性開展了數值計算研究。Zhang[22]基于黏性流理論，對半潛式基礎結構在風、浪、流共同作用下錨泊系統的水動力特性開展了數值計算研究。此外，Musial等[23]結合實際海況，分析討論了不同浮式基礎結構下懸鏈線錨泊和垂直錨泊優缺點。

1.4 耦合研究現狀

隨著對風機部分結構空氣動力和水動力特性相關研究的廣泛開展和逐步深入，對海上浮式風機的耦合動力特性研究也逐漸被海洋工程領域學者重視并得到了開展。Withee[24]建立了浮式風機的耦合動力計算模型，并對風和非線性波浪作用下的浮式風機所受外部荷載以及整體運動響應開展了數值模擬研究。Skaare等[25]應用 SIMO/RIFLEX和HAWC2軟件對風機與浮式基礎的耦合動力特性進行了數值模擬。Jokman[26-27]基于勢流理論建立了可以考慮風和流共同作用下浮式風機動力特性的耦合計算模型，并在頻域內對浮式風機在淺水和深水狀態下的荷載和運動響應開展了數值計算研究，分析了不同水深情況下風機的發電性能和成本，綜合考慮和討論了經濟效益問題。Zhang等[28]建立了浮式風機的耦合計算模型，其中空氣動力計算采用解析方法，水動力計算采用WAMIT軟件，錨泊系統荷載采用有限元方法進行計算，并采用該耦合模型對Spar浮式風機的荷載和運動響應問題開展了數值模擬研究。Zhang等[29]基于勢流理論建立了可以考慮海上浮式風機在風、浪、流聯合作用下動力特性的耦合計算模型，對深水條件下WindFloat 型半潛式浮式風機的動力特性開展了數值模擬研究。Zhao等[30]采用空氣動力學理論、水動力學理論和多浮體運動學理論對超大型半潛浮式風機開展了動力學特征耦合計算研究，發現在低頻激振風荷作用下，系統脈動分量和運動有顯著增加。對于浮式風機耦合計算分析研究而言，基于黏性流理論開展的研究仍處于有待完善的階段，其中一些耦合計算方法、數值離散方法和結構物運動響應計算方法等方面仍有待于進一步優化和改進。

2 南海海域特點和研究需考慮問題

隨著世界各國對能源安全、生態環境和氣候變化等問題日益重視，加快發展風電已成為國際社會推動能源轉型發展、應對全球氣候變化的普遍共識和一致行動。我國在近年來也極為重視風電事業的發展，過去10年，在國家政策的大力推動下，我國風電產業蓬勃發展。但數據顯示，2017年全國（除港、澳、臺地區外）新增裝機容量1 966×1014kw，同比下降15.9%；累計裝機容量達到1.88×109kw，同比增長11.7%，增速放緩，其主要原因在于陸上風電現有產能利用率低。因而，海上風電的開發及產能提高問題也是我國風電產業發展的重點關注問題。由于海域面積大，風能儲藏量高等優勢，南海海上風電開發則是我國風電發展的主要方向。

2.1 南海海域臺風

我國廣東省沿海擁有4 114 km海岸線和41.93×104km2遼闊海域。沿海地帶處于亞熱帶和南亞熱帶海洋性季風氣候區，冬、夏季季候風特征十分明顯。同時，南海海域也是我國熱帶氣旋影響最為頻繁的區域，臺風對海洋資源開發和利用的影響必須加以考慮和重視。南海海域臺風過境情況下，海上浮式風機的空氣動力特性是有待于研究的問題，采用物理模型試驗和數值模擬方法獲得葉片和主體結構所受氣流荷載的預測值是對海上浮式風機的安全性研究的重要問題，這對于風機結構的設計有重要的參考意義。

2.2 南海海域波流作用強

熱帶氣旋過境時，海面及海面以上的風力極大，由于夾卷作用，會引起巨大的波浪和海流。波浪作用于浮式風機的基礎結構時，會產生波浪沖擊和越浪等災害性問題，波浪沖擊力有作用時間短，作用力較大的特征，容易導致結構的損壞。另外，當流速較大，波浪作用較強的情況下，錨泊也會受到較大的拉力。因此，對于南海海域而言，需要對強非線性波浪和較大流速海流作用下浮式風機的水動力特性開展研究，針對風機結構所受流體荷載、風機結構的運動響應以及錨泊系統荷載全面系統地考察。

3 海上浮式風機研究方向和展望

3.1 研究理論、方法和問題多樣化

海上浮式風機相比近岸固定式風機的研究起步較晚，仍存在諸多的問題有待于研究和解決。針對前人研究局限性和研究理論多樣化角度來看，對于海上浮式風機在風、浪、流耦合作用下的研究由于其較復雜，現階段研究多基于勢流理論開展。但由于勢流理論建立在一定的假設條件下，無法考慮流體黏性和流動有旋性，對于黏性效應較顯著的物理問題，對結果預測無法足夠準確。因此，考慮流體黏性和流動有旋性對結構承受荷載、結構運動響應和錨泊系統受力的影響，基于黏性流理論對海上浮式風機的耦合研究有待于進一步開展和完善。從研究方法多樣化角度來看，數值模擬方法作為當今流體動力學研究的主流方法已逐漸成為浮式風機研究的主要方法。物理模型試驗研究方法也可以作為研究手段對浮式風機的運動響應有直觀的研究作用，并且可以用于對數值計算模型的驗證，但由于其無法考慮比尺效應問題，物理模型試驗研究仍存在一定的局限性。原型試驗是在海洋真實環境中開展的試驗研究，其具有真實、準確、直觀的研究特點，可以結合近年來南海沿海地區開展的海上試驗場項目進行相應的研究。從研究問題多樣化角度來看，浮式風機的建造材料、錨泊系統的錨固型式以及傳遞電能的海底管線受海流沖刷、耐腐蝕性和渦激振動等均是需要進一步開展研究的問題。

3.2 結合海域特點開展區域特色研究

如前文所述，我國南海海域具有臺風危害較大、強非線性波浪多、海流流速較大等特點。針對南海海域的這些特點，對浮式風機的荷載、運動響應以及錨泊系統荷載等問題開展研究。以浮式風機工作穩性和安全性為前提，研究各個海域海況常年的風力、海流流速以及波浪強度等特點，并對不同海域自然特征下浮式風機的動力特性開展研究，尋找適合開展浮式風機建設的海域。

3.3 海上浮式風機智能化

“智能化”對于當今世界已經不再陌生，它在很多領域已經給人們的日常生活帶來了變革。但相比其他行業，海洋工程領域的生產工作仍比較粗放，智能化的概念還未普及?！爸腔酆Ｑ蟆笔墙陙砦覈岢龅男赂拍?，海洋裝備的智能化則是我國海洋工程領域課題研究的重要方向。海上浮式風機智能化的目的最終要落實到其工作生產效率和安全性上。結合智能化監測系統，對浮式風機的發電效率進行實時監控，同時可以分析該區域海況的風能特征。裝配智能化感應設備，在風機承受荷載較大、運動響應劇烈并且錨泊荷載較大時進行預警，保障風機工作的安全。研制智能化動力系統，在風機受外界作用強烈，結構位移較大，錨泊系統受力較大時，動力系統為風機提供反向動力，使風機回到平衡位置，降低錨泊系統受力，提高安全性。

4 結論

海上浮式風機是對海上風能資源開發的重要工具。對比其他形式的風機，海上浮式風機受到環境影響更為復雜，因此準確預測風機所受荷載、運動響應以及錨泊系統荷載等重要物理量對海上風機的設計和工作生產安全性都有著重要意義。本研究對海上浮式風機動力特性的研究現狀進行了介紹，按照研究內容不同分為葉片的空氣動力特性、風機基礎結構的水動力特性、錨泊系統的水動力特性以及耦合作用研究，并分別按照研究理論和方法的區別進行了詳細的說明。進一步，結合南海海域的自然條件特征，提出了在南海海域開展浮式風機研究所需要考察和研究的問題，即臺風和波流作用較大的問題。最后，展望海上浮式風機研究方向，從研究多樣化角度，結合南海海域特點角度以及海洋裝備智能化角度分別提出了海上浮式風機動力特性的研究方向。開發南海資源已經是我國現階段發展的重要工作，海上浮式風機的研究則是海洋能源開發利用的重要課題，本文為海上浮式風機研究提供參考。

[1] 薛桁, 朱瑞兆, 楊振斌, 等. 中國風能資源貯量估算[J]. 太陽能學報, 2001, 22(2): 167-170.

[2] GLAUERT H. Airplane propellers[M]. Berlin, Springer, 1935.

[3] WILSON R E, LISSAMAN P B S. Applied aerodynamics of wind power machines[R]. Corvallis, Oregon State University, 1974.

[4] GOHARD J C. Free wake analysis of a wind turbine aerodynamics[M]. California, Massachusetts Institute of Technology, Department of Aeronautics and Astronautics, Aeroelastic and Structures Research Laboratory, 1978.

[5] GUPTA S. Development of a time-accurate viscous Lagrangian vortex wake model for wind turbine applications[D]. Marylind: University of Marylind, 2006.

[6] PREUSS R D, SUCIU E O, MORINO L. Unsteady potential aerodynamics of rotors with applications to horizontal-axis windmills[J]. AIAA Journal, 1980, 18(4): 385-393.

[7] WHALE J, FISICHELLA C, SELIG M. Correcting inflow measurements from J3 AWTS using a lifting-surface code[J]. Urbana, 1999, 51: 61.

[8] LU H, PORTé-AGEL F. Large-eddy simulation of a very large wind farm in a stable atmospheric boundary layer[J]. Physics of Fluids, 2011, 23(6): 1-20.

[9] 任年鑫. 海上風力機氣動特性及新型浮式系統[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2011.

[10] ZHOU H, WAN D C. Numerical investigations on the aerodynamic performance of wind turbine: Downwind versus upwind configuration[J]. Journal of Marine Science and Application, 2015, 14(1): 61-68.

[11] 阮勝福. 海上風電浮式基礎動力響應研究[D]. 天津: 天津大學, 2010.

[12] 何江賢. 系泊式新能源平臺水動力分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2015.

[13] BREDMOSE H, JACOBSEN N G. Vertical wave impacts on offshore wind turbine inspection platforms[C]. //Proceedings of ASME Conference on ASME 2011 30th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2011: 645-654.

[14] TRAN T T, KIM D. The coupled dynamic response computation for a semi-submersible platform of floating offshore wind turbine[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 147: 104-119.

[15] CHENG P, WAN D C. Hydrodynamic analysis of the semi-submersible floating wind system for phase II of OC4[C]. Hawaii, Proceedings of the Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference, 2015: 346-353.

[16] DUNBAR A J, CRAVEN B A, PATERSON E G. Development and validation of a tightly coupled CFD/6-DOF solver for simulating floating offshore wind turbine platforms[J]. Ocean Engineering, 2015, 110: 98-105.

[17] GARRETT D L. Dynamic analysis of slender rods[J]. Journal of Energy Resources Technology, 1982, 104(4): 302-306.

[18] ARCANDRA. Hull/Mooring/Riser coupled dynamic analysis of a deepwater floating platform with polyester lines[D]. Texas: Texas A & M University, 2001.

[19] SMITH R J, MACFARLANE C J. Statics of a three component mooring line[J]. Ocean Engineering, 2001, 28(7): 899-914.

[20] CHAI Y, VARYANI K S, BARLTROP N. Semi-analytical quasi-static formulation for three-dimensional partially grounded mooring system problems[J]. Ocean Engineering, 2002, 29(6): 627-649.

[21] BROMMUNDT M, KRAUSE L, MERZ K O, et al. Mooring system optimization for floating wind turbines using frequency domain analysis[J]. Energy Procedia, 2012, 24: 289-296.

[22] ZHANG R Y, TANG Y G, HU J, et al. Dynamic response in frequency and time domains of a floating foundation for offshore wind turbines[J]. Ocean Engineering, 2013, 60: 115-123.

[23] MUSIAL W, BUTTERFIELD S, BOONE A. Feasibility of floating platform systems for wind turbines[C] //42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 2004.

[24] WITHEE J E. Fully coupled dynamic analysis of a floating wind turbin systems[D]. California: Naval Postgraduate School, 2004.

[25] SKAARE B, HANSON T D, FINN NIELSEN F G. Anders melchior hansen integrated dynamic analysis of floating offshore wind turbines[C]. Hamburg, Proceedings of OMAE 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2006.

[26] JONKMAN J, BUTTERFIELD S, MUSIAL W, et al. Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development[R]. Gold, Colorado, National Renewable Energy Laboratory, 2009.

[27] JOKMAN J M. Definition of the floating system for phase IV of OC3[R]. Gold, Colorado, National Renewable Energy Laboratory, 2010.

[28] ZHANG L, WU H T, YE X R, et al. Coupled dynamic analysis of a spar type floating wind turbine[J]. Advanced Materials Research, 2011, 346: 433-439.

[29] ZHANG R Y, TANG Y G, HU J, et al. Dynamic response in frequency and time domains of a floating foundation for offshore wind turbines[J]. Ocean Engineering, 2013, 60: 115-123.

[30] ZHAO Z X, LI X, WANG W H, et al. Analysis of dynamic characteristics of an ultra-large semi-submersible floating wind turbine[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2019, 7(6):169-197.

Research Situation and the Prospect of Floating Wind-turbine in the South China Sea

YUAN Jian-ping1, MAO Hong-fei1, PAN Xin-xiang2, JIA Bao-zhu2, JI Ran2, HE Yan-li1

（1.,,524088,; 2.,,524088,）

【】To summarize and discuss the research status and prospect of development trend on floating wind-turbine.【】After reviewing the developing experience of aerodynamic and hydrodynamic characteristics for floating wind-turbine, an overview is presented on the present situation and concealed problems. Based on the research actuality on floating wind-turbine and the environment characteristics of the South China Sea, an expectation for the future research directions and contents for the studies on the wind turbine structures and mooring systems under fluid load in the South China Sea is made.【】Some reasonable suggestions,diversification, characteristics of the South China Sea region and intelligent equipment, for the research targets of the dynamic characteristics of floating wind-turbine are proposed.【】Research on the dynamic characteristics of floating wind-turbine has an important guiding significance to structural design and engineering safety.

marine engineering; floating wind-turbine; the South China Sea; intelligent; aerodynamics; hydrodynamics

TV139.2+6

A

1673-9159（2020）05-0133-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.05.017

2020-05-12

廣東省自然科學基金（51979045，51479017）；國家裝備預研基金項目（6142204190711）；國家國防科工局穩定支持課題（JCKYS2019604SXJQR-02）；廣東省教育廳重點領域專項（2019KZDZX1024）；廣東省教育廳高校青年創新人才項目（2019KQNCX045）；廣東海洋大學科研啟動費項目（120602-R19024）；廣東省“沖一流”省財政專項資金建設項目（231419010）

袁劍平（1979－），男，高級工程師，研究方向為船舶智能控制系統開發。E-mail: yjp_103@163.com

毛鴻飛（1985－），男，講師，研究方向為波浪與結構物的相互作用。E-mail：maohongfei-gdou@qq.com

袁劍平，毛鴻飛，潘新祥，等. 海上浮式風機研究現狀展望[J]. 廣東海洋大學學報，2020，40（5）：133-138.

（責任編輯：劉朏）