海上浮式风力机平台及耦合运动研究/海上风能开发与利用技术

成果拥有单位：哈尔滨工程大学

成果简介：

1、 项目简介

风能是当前技术和经济上最具商业化规模开发条件的新能源。随着陆地风力发电技术的不断进步和发展，海上风能开发和利用的关键技术已经成为科研工作者和工程技术人员的开发热点。本项目以海上风力机的设计理论和设计方法为目标，采用理论和实验相结合的方法，研究海上风力机叶轮和支撑结构在风浪流环境下及运输吊装过程中的流体和结构特性，形成海上风力机的设计方法和设计标准，最终为海上风力机的设计提供技术支持。

（1）海上风力机叶轮的流体与结构性能分析

基于粘性CFD方法和流管法自主开发“叶轮流体动力性能及载荷分析系统”，结合有限元方法，建立了风力机双向流固耦合分析方法。

（2）海上风力机基础结构设计和性能分析

设计了国内首例兆瓦级单桩式海上风力机基础结构，并给出工程适用图纸。探索了漂浮式海上风力机—平台—锚泊系统耦合运动的求解方法。

（3）海上风力发电模块安全性评估和应力监测

针对我国首座海上风电场的运输和吊装过程，研发了海上风电模块运输安全性评估方法，并进行了现场监测。

（4）海上风力机基础结构设计标准

编制适于我国海洋环境条件的海上风力机基础结构设计标准。

2、 技术特点

（1）首次采用流管法分析双层叶轮风力机的气动特性；解决了叶片主轴和轮辐等结构的气动损失问题。

（2）设计国内首例海上风力机单桩基础结构的详细方案，解决了海上风力机单桩基础设计的技术难点。

（3）开创性探索了漂浮式海上风力机—平台—锚泊系统耦合运动的求解方法。

（4）提出并现场应用了海上风电模块运输安全性评估方法和监测方法。

3、 技术水平

目前全球海上风电产业发展迅速，而我国刚刚起步，在基础理论和建设经验方面存在严重不足，因此需要深入开展海上风能开发与利用技术方面的研究。本项目在流管法中考虑了主轴和轮辐的气动损失的修正模型，同时通过改进实现了双层叶轮垂直轴叶轮性能计算。对我国首座海上风力机运输和吊装过程中的运动和结构特性进行了预报和现场监测。针对我国渤海海域环境特点进行单桩基础结构性能分析，并提出海上风力机基础结构设计标准。上述特点目前在国外同类研究和技术中未见报道。本项目对于提高我国海上风电机组的自主研发能力，提升我国在风力发电市场的国际竞争力，都具有重要意义。

该项目填补了我国海上风电机组桩基础和相关附属设施的分析方法方面的空白，弥补了我国在海上风力机设计理论和海上风电模块运输领域的不足，制定了海上风力发电机桩基结构设计技术(企业)标准。本项目的研究成果整体上达到了国际先进水平。

4、 主要技术指标

1）研制出一套具有自主知识产权的垂直轴风电机组风轮气动性能设计方法；

2）海上风力机单桩基础结构设合理、性能良好，达到发电要求。

3）海上风电模块的压载方案，满足稳性规范和结构强度要求。海上风电模块运输和吊装过程中应力值的监测结果，能够反应动态作用的影响、船舶和塔架结构运动特征以及自振周期。

4）编制完成海上风力机桩基础结构的设计标准以及条文说明，内容涵盖了载荷的确定组合、桩基础设计、钢结构设计、钢材料、结构分析计算、防腐处理、检验和检测、附属结构等。

5、 项目所处阶段

本项目完成了任务书中规定的各项任务，达到了预期目标，顺利结题。

本项目研究成果对于缓解我国东部沿海地区电力紧张情况、促进经济发展和建设具有重要而深远的意义。同时，随着国家可持续发展战略的实施，海上风力发电对于弥补能源短缺、调整能源结构、缓解环境污染起到重要作用。由此而获得的经济效益和社会效益是不可估量的。目前我国已经在东南沿海地区开工建设多处海上风电场。因此海上风力发电机组开发利用技术具有广阔的应用前景。