海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬研究

梅玉杰 吳偉強(qiáng) 張國峰 許宜菲 楊進(jìn)文

摘要：隨著我國社會的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的快速提高，新能源作為主要的行業(yè)，在近些年實(shí)現(xiàn)了較快的發(fā)展，我國積極研發(fā)海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，以期實(shí)現(xiàn)新能源的利用，海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣吆Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電設(shè)備的利用率和新能源利用效率，促進(jìn)新能源的有效利用。本文闡述了海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬研究的必要性，其次分析了海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬研究的相關(guān)方法，最后闡述了海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬的研究過程，以期完善海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬的研究，提高新能源的利用效率。

關(guān)鍵詞：海上;風(fēng)力發(fā)電塔;脈動風(fēng)速模擬

一、海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬研究的必要性

隨著我國環(huán)境保護(hù)政策的不斷推行，新能源技術(shù)隨之不斷發(fā)展，我國在新能源技術(shù)行業(yè)取得了較大的發(fā)展。我國風(fēng)力發(fā)電能夠滿足新能源行業(yè)發(fā)展的需要，因此海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備作為新能源行業(yè)主要的設(shè)備，成為了重要的研究方向和研究重點(diǎn)。大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備由于大容量和多功能等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用與海上的風(fēng)力發(fā)電。大型風(fēng)力發(fā)電塔由于塔架較高，自身的葉片較為柔軟，因此對于風(fēng)速和風(fēng)力的要求十分高，面對的風(fēng)力應(yīng)該在一定的范圍之內(nèi)，才能夠保證海上風(fēng)力發(fā)電塔的正常運(yùn)行，只有保證穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速才能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的風(fēng)力承載，因此，在海上風(fēng)力發(fā)電塔的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該做好脈動風(fēng)速模擬實(shí)驗(yàn)，以便更好地為風(fēng)力發(fā)電塔的運(yùn)行提供充足的動力，因此做好海上風(fēng)力發(fā)電塔的脈動風(fēng)速模擬研究是十分重要的。

二、海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬研究方法

隨著新能源技術(shù)的不斷推廣，海上風(fēng)力發(fā)電塔作為重要的新能源設(shè)備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較好的應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電塔的投入使用，給我國帶來了較大的風(fēng)能資源，實(shí)現(xiàn)了我國對于新能源的利用和發(fā)展。隨著我國的環(huán)境保護(hù)政策的不斷推進(jìn)，我國新能源技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較快的發(fā)展，我國的海上風(fēng)力發(fā)電塔作為重要的新能源設(shè)備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的發(fā)展，大型的海上風(fēng)力發(fā)電塔能夠?qū)崿F(xiàn)大量的風(fēng)力資源，但是大型的風(fēng)力發(fā)電塔自身的葉片較為柔軟，應(yīng)該保證風(fēng)速均勻才能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的風(fēng)量，這時候就應(yīng)該實(shí)現(xiàn)時域內(nèi)風(fēng)振反應(yīng)分析，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電塔風(fēng)速的模擬研究，確保風(fēng)速能滿足大型風(fēng)力發(fā)電的需求。海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬研究方法主要包括本征正交分解法（POD）、譜表示法（SRM）。Di Paolao首次提出了本征正交分解法，實(shí)現(xiàn)了對于矩陣特征值和特征向量的概念和兩者關(guān)系的研究，表明了這項(xiàng)研究方法的物理意義，應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬的研究是十分有效的。Chen和Kareem提出了基于協(xié)方差矩陣的本征正交分解，并且通過相關(guān)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐模擬了風(fēng)速隨機(jī)場。劉章軍等在本征正交分解法和譜表示法基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種新的思維方式和研究方法，就是利用隨機(jī)函數(shù)降維的方法，通過兩到三個基本隨機(jī)變量實(shí)現(xiàn)對于隨機(jī)風(fēng)場的模擬研究，能夠減少指標(biāo)的使用數(shù)量和計(jì)算量，能夠最大限度的節(jié)約計(jì)算的成本，減少使用多個指標(biāo)造成的計(jì)算誤差。

根據(jù)上述研究方法的理論，本文在本征正交分解法的基礎(chǔ)上，提出了考慮塔架與葉片相互影響的本征正交分解法（proper orthogonaldecomposition with tower-blade interaction，POD-TBI），通過引入模態(tài)截?cái)嗉夹g(shù)和FFT算法，對海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速進(jìn)行了模擬，并將模擬得到的自功率譜和相干函數(shù)與對應(yīng)目標(biāo)值進(jìn)行擬合，驗(yàn)證了本文提出的POD-TBI方法的有效性，從而為海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬提供一種高效的方法。

三、海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬

3.1基于功率譜密度函數(shù)矩陣的本征正交分解

3.2風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)場特征分析

風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)場特征分析的主要過程是通過使用有限元的方法對風(fēng)力的發(fā)電塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體上的離散分析，將風(fēng)力發(fā)電塔的塔架分為有效的四個集中質(zhì)點(diǎn)，然后三個葉片也分為三個有效的集中質(zhì)點(diǎn)。該過程是對模擬風(fēng)速的時程，主要是以中等效質(zhì)點(diǎn)為動力響應(yīng)，然后得出需要輸入脈動的脈動風(fēng)場主要由塔架脈動風(fēng)場和葉片脈動風(fēng)場組成，由于選擇的第一個集中質(zhì)點(diǎn)與海上平面相交，收到海浪的影響力較大，因此脈動風(fēng)對于第一個集中質(zhì)點(diǎn)的影響是微乎其微的，因此本文并不考慮對第一個集中質(zhì)點(diǎn)脈動風(fēng)速的模擬。但是風(fēng)力發(fā)電塔塔架與葉片脈動風(fēng)場的空間存在一定的相關(guān)效應(yīng)，因此，可以通過引入空間相干函數(shù)來研究上述效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)對于海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速的模擬。

3.3風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速數(shù)值模擬

以o點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立了空間直角坐標(biāo)系，同時建立海上風(fēng)力發(fā)電塔簡化動力計(jì)算模型。模型中塔架與底部基礎(chǔ)總高80m，塔架出海平面部分高度為60m。塔架出海平面部分等效為三個質(zhì)點(diǎn)，分別為設(shè)置的第二個、第三個以及第四個質(zhì)點(diǎn)，風(fēng)機(jī)為三葉式，葉片部分長度為40m，每個葉片等效為葉片中部的1個質(zhì)點(diǎn)，分別為第五個、第六個、第七個集中質(zhì)點(diǎn)。因此本文通過引入模態(tài)截?cái)嗉夹g(shù)和FFT算法，對模型上的第二到七個集中質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行脈動風(fēng)速的模擬，并將模擬得到的自功率譜和相干函數(shù)與對應(yīng)的目標(biāo)自功率譜和目標(biāo)相干函數(shù)進(jìn)行擬合，驗(yàn)證本文提出的POD-TBI方法的有效性。

【總結(jié)】

綜上所述，海上風(fēng)力發(fā)電塔對于風(fēng)力發(fā)電資源的作用是巨大的，促進(jìn)了我國新能源技術(shù)的發(fā)展。本文主要研究了海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速模擬方法，能夠克服葉片對于風(fēng)速承載力的問題，本文在POD方法的基礎(chǔ)上，通過引入二維空間相干函數(shù)，提出了POD-TBI方法。利用該方法對海上風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的隨機(jī)風(fēng)場進(jìn)行了模擬，得出了如下結(jié)論：①對海上風(fēng)力發(fā)電塔的脈動風(fēng)速進(jìn)行模擬時，應(yīng)考慮風(fēng)場橫風(fēng)向和豎直方向空間相干效應(yīng)，空間相干函數(shù)為二維相干函數(shù)。②引入模態(tài)截?cái)嗉夹g(shù)，可用脈動風(fēng)速隨機(jī)過程的前幾階能量占優(yōu)的本征模態(tài)來近似表述脈動風(fēng)速隨機(jī)過程，可以節(jié)省模擬計(jì)算量。同時，引入FFT算法，可極大地提高模擬效率。因此，通過引入模態(tài)截?cái)嗉夹g(shù)和FFT算法，使得POD-TBI方法成為一種高效模擬海上風(fēng)力發(fā)電塔脈動風(fēng)速的方法。

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