三种浮动风力发电机理论的实验比较外文翻译资料

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三种浮动风力发电机理论的实验比较

在地表的众多海岸之外，还潜藏着可供挖掘的巨大的深水风力资源，这些风能可用来提供大量清洁、可再生的能源。但是，其中的许多资源位于水深超过60米的深水区域，在经济上，以当前固定底部风力发电机的科技水平并不可行。因此，当今许多研究团队、各国能源部门及相关公司已经在着力于浮动风力发电机作为一种利用这种深水海上风力资源的手段。然而，对于应用于该浮动平台的首选技术目前引起了广泛的讨论。为开始对各种风力发电机平台理论独特特性的缝隙，荷兰海事研究所（MARIN）进行了一个针对三种浮动风力发电机理论在风/浪船坞中的1/50比例的模型测试。该弗劳德比例测试模拟的是美国国家可再生能源实验室（NREL）的5兆瓦，水平轴直径126米的参考海上浮动风机，该风机通过一个灵活塔架连接，依次连接到张力腿、翼梁立柱和半潜式这三个不同的平台。大量测试被一一进行，其中包括在各种不规则海况和动态风条件下，从简单自由衰减测试到复杂操作条件的测试。这些呈现出低漩涡和湍流强度，并且在每一组实验当中都两两不一、独一无二的高品质风力环境，都是通过一台新型风机在近海盆地实现的。从该浮动式风力发电机中记录的数据包括：转子的扭矩与位置，塔顶和底座的各个时刻的顺时力，系泊索的拉力，平台在六个轴上的运动，以及机舱、塔和平台上关键部位的加速度。一个包含了基本系统识别结果的对于这个试验项目的全面概述已涵盖在先前发表的论文当中。本文介绍了综合数据分析的结果，并对在受到多种风浪组合影响的环境下这些独特的浮动风力发电机组合系统产生的独特耦合系统行为进行了阐述。这三个系统中每一个的相对性能都将被广泛讨论，并且将讨论的重点放在了整体运动、灵活的塔动力学和系泊系统响应。讨论的结果详细得阐述了每种浮动风力发电机平台各自的优缺点。

简介

美国有利用本土丰富的近岸风电这一可再生能源的绝佳机会。在2010年，据美国国家可再生能源实验室估计，在美国距海岸线50海里的近海范围内，将发现超过400GW的潜在近岸风能^[1]。美国能源信息管理局报告了2010年美国的总发电量是4,120,109kWh（相当于470GW）^[2]其中仅有12%是潜在的近岸风电资源。另外，近岸深水风能是美国主要可利用的海洋能源，与潮汐能相比，占海洋能源评估总量的75%。^[3]通过这些评估，不难看出清洁的近岸风能可以作为美国能源供给的主要来源。

但值得注意的是，在美国沿岸的众多地方，捕捉到沿岸风的区域是在深水。据估计，2450GW，相当于美国60%的沿岸风都分布在水深60米或以上的区域。^[1]在水深超过60米的区域，修建例如在欧洲建造的那种固定的近海风能发电机基础，将可能在经济上不可行。^[4]因此，漂浮风机的科技似乎是利用美国丰富的近岸风能的最好选择。

这说明了，通过风/波船坞模型测试（例如参考文献^[5]）研究几个浮动风力发电机的动态特性是一种经济有效的推动这项技术的方式。到目前为止，只有少数研究者选择浮动风力发电机进行船坞模型测试。主要的电力公司测试了1/67比例模型的名为WindFloat的半潜式风力发电机平台^[6]。测试结果被用于帮助开发在2011年被部署的全尺寸WindFloat风机^[7]。在2006年，海上石油与能源进行了1/47尺寸的比例模型实验。试验位于挪威特隆赫姆的Marintek海洋船坞实验室^[8]测试了5MW型立柱漂浮式风力发电机组，以为了真正商用第一台浮动风力发电机，Hywind。另外一个由挪威WindSea进行的船坞测试在在Force Technology公司的一个1/64比例模型的三级风力的半潜式发电机平台上进行的^[9]。这些模型测试都为相关股东提供了有价值的信息和关于浮动式风力发电机动力学的先进知识。然而，这些测试使用了不同的测试协议，并且仅关注在比较各种设计的相对性能方面产生困难的单个系统。

为解决这一困难，本文提出了利用相似的测试浮动式风力发电机理论的结果比较，该实验在荷兰海事研究所进行，是对三种浮动风力发电机的1/50模型进行了组合风/波影响的测试。这些理论均支持5MW，水平轴直径126m的NREL参考风力发电机^[10]，其中包括张力腿（TLP）、立柱式和半潜式平台。这些通用的海上平台都由经过验证的近岸理论建模，旨在为数字浮动风力发电机模拟器的校准和验证提供一系列质量数据。该测试矩阵测试了这三个系统的设置和系统识别，经由Koo等人在他们的学术论述中详细讨论^[11]。该文提出了在顺应动态风和不规则波组合影响的环境下对三种浮动式风力发电机理论的性能比较。调查的数量包括整体运动，机舱加速度，塔架载荷和系泊载荷。测试结果展示了三种研究各自的优缺点。

模型描述

为该项实验选择的比例模型是美国国家可再生能源实验室设计的5MW水平轴风力发电机^[10]。风力涡轮机具有126米的转子直径，位于静水基准线以上90米的轮毂高度（SWL）。活动塔架从静水基准线10米起始，被用来模拟OC3 Hywind塔的基本弯曲频率^[12]。该风机与标准NREL 5MW风机有几处显著的不同之处^[13]。模型机的轴倾角为0度，刀片设计是0度，刀片是刚性的。最后的不同之处在于两方面的实验结果。首先，建造17.7吨风机叶片的1/50模型需要自身轻盈坚硬的编织碳纤维结构。第二，消除与柔性转子相关联的附加气动弹性动力学现象被认为是理想的，因为这些影响被认为超出了这些测试的范围。为了模拟OC3 Hywind塔的第一弯曲频率，塔由特制尺寸的铝管构成。此外，塔的下部11.3米直径要比塔的其余部分要大，以更紧密地匹配重力和基本弯曲模式形状的OC3 Hywind塔中心的其余部分大的直径的。包括旋转舱组件，塔架和所有配套仪器的总顶板质量为699.4公吨。该值比NREL 5MW参考风力发电机和OC3 Hywind塔的标准规格大16.6％。

图1：从左顺时针方向依次是：实验中所用的立柱式、张力腿式、半潜式浮动风力涡轮机

虽然纳入考量范畴的大多数浮动风力涡轮机概念采用水平轴风力发电机，但是在当前概念中采用的各式平台之间差别很大。因此，为了使测试结果对于尽可能广泛的受众有用，先前描述的风力涡轮机和塔架在三个不同的浮动平台上测试。这些平台每个都建立在可行的海上石油和天然气平台技术之上，从不同的机制得出稳定性。这些平台包括TLP（系泊稳定），翼梁立柱（镇流器稳定）和半潜式（浮力稳定）。在测试期间使用的平台（包括风力涡轮机）的图像如图1所示。像刀片一样，每个平台都被设计成刚性的，以消除灵活平台增加的复杂性。每个设计在200米的水深中进行测试。 第一个设计，TLP，由三个刚性垂直的钢筋约束。 悬臂立柱系由一个扩展的系泊系泊，由连接在翼梁立柱上的拉紧线组成，三角形连接的性质类似于实际的Statoil Hywind所使用的类型^[12]。最后一个设计是半潜式的，受到三条松紧的悬链线的限制，在底座的顶部设有带有弹道的附件。表1显示了三种设计的主要特点，包括吃水，排水和停泊细节。 对于每个设计，塔底的干舷为10米。从表中可以看出，TLP是迄今为止质量最小的半容器最小的。质量差异很大程度上归因于设计的镇流器的水平，与其他两种设计不同，TLP没有镇流器。除此之外，重要的是要注意，这些结构是通用的、未被优化的，并且旨在展示每个概念的主要特征，以便为数字模型代码验证工作生成数据（例如参见参考文献^[14-16]）。

此外，在这项工作中将会给出这三个系统之间的比较，所做的观察对于考虑的设计是特定的，并不一定代表优化的TLP，翼梁立柱或半潜式设计的相对行为。有了这个免责声明，每个设计（包括安装的风力涡轮机和塔架）的主要质量特性和运动特性在表1中给出。检查该表，停泊结构的测量的起伏，滚动和纵摇运动的自然周期表明TLP系统非常僵硬，与悬臂立柱和半潜式系统恰恰相反。然而，在所有情况下，这些所述刚体模式的自然运动周期并不在典型的波能峰值频谱周期的范围内，这些频率周期约为5至17秒。随着刚体的自然周期，三个设计中也给出了前后（浪涌）和侧面（摇摆）方向上的塔的基本弯曲频率。从表1可以看出，浮动平台特性对弯曲频率有显着的影响，其基础在纵摇和滚动中表现出比顺应式基础更低的弯曲频率。较硬的基座更能代表塔的基座的固定边界条件，而较软的基座更类似于塔底的自由状态，这是令人意想不到的（例如，参见参考文献^[17]）。仔细检查表格后，观察到TLP平台的纵摇和摇摆模式与基本的塔式弯曲模式共享相同的频率。这是由于TLP的平台惯性和系泊系统刚度的组合以及选择用于测试的塔的特定分布刚度和质量属性所造成的。实验的结果是一种组合的平台纵摇/塔弯曲（以及辊/塔弯曲）模式，这对于一个商业设计而言并不理想。对于这里考虑的设计的这种现象的进一步讨论可参见参考文献^[14]。

图3：（a）U10517.0 m / s和（b）24.0 m / s NPD动态风的理论和测量光谱

图2：模型测试中使用的定向和自由度（DOF）

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