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浮式海岸风力涡轮机（风能发电装置）：针对帕雷托（Pareto）海况的最优设计和经济性评估
（作者）Paul Sclavounos, Christopher Tracy and Sungho Lee
麻省理工学院机械工程系
2007年 十月
摘要
风力是发展最快的可回收能源，它的年增长率是25%，并且2007年世界范围内的装机容量达到了74GW。绝大部分的风力能源是由岸上的风电场收集的。然而这种成长还是被缺少靠近大人口中心的廉价土地和大型风力发电机造成的视觉污染所限制。
近海风电场收集的风能是次要前沿（比较次要的）。拥有更加强大和稳定的风力资源的广阔海洋可以用于风电场的发展与此同时离海岸线20英里远5MW风力发电塔是肉眼不可见的。现今的近海风能发电装置是由在海岸边埋入海底的距离岸边数英里在水中深度10到15米的磁单极支撑的。这种近海发电机发展的首要障碍就是视觉污染和在巨大水深下安装海底磁单极的高昂费用。
本文讲述的是浮式风能发电装置的完全耦合的动态分析，这种分析对浮式风能发电装置的概念以及锚泊系统进行参数设计或研究有所帮助。帕雷托最优设计体现了拥有机舱加速度，锚泊系统张力以及支持5MW风力发电装置的浮式结构位移的优秀的组合。所有的概念都被选择以便于在拖到近海风电场的地点的过程中，在与锚泊系统连接之前保持稳定的漂浮。完全耦合的动态分析是基于近海和风力企业使用的标准计算机程序并围绕风力发电机，漂浮物以及锚泊系统展开的。参数研究的结果得到了表明帕雷托方面的涡轮机的均方加速度与包括漂浮结构的重量以及静态加动态的锚泊线张力的近海结构的重点成本动因的设计。
帕雷托最优结构一般来讲不是狭窄且深的定制圆形材料就是浅层混凝土定制驳船碴。锚泊系统包括了张力腿和悬链线锚泊系统。在某些设计中，在显著波浪高度达到10米的同时水深可以达到200米的海域，风力涡轮机机舱的RMS加速度可以低到0.03g。这些结构在满足设计要求的同时很好的结合机舱加速度，锚泊系统总张力以及漂浮结构的重量。他们的经济性评估在讨论时也借鉴了最新的对被一般认可的海洋风电场的财务分析。
1 介绍以及背景
本文提出了一种浮式风力发电机系统的设计空间的参数研究。大型浮式结构最初是由海上石油与燃气工业发展而来的。这些科技提供了移动大型风电机组至风力更大更持久地区的能力给风能工业。沿海居民的审美关注点是一个额外的将海上风力涡轮机移向陆地的动机。
这些漂浮的结构的系泊系统已经成熟，并可以被安装在水深超过1000米的海水中。虽然这是比任何目前计划的项目都要深入的水域，系泊技术将保证海上风电机组在广阔的海洋的稳定性。浮式风电机组运用的的系泊系统主要分为2个主要类别。张力腿式系泊系统提供大量的恢复时刻有垂直上下俯仰和滚动。悬链线系泊系统为海洋平台提供在小张力时的小刚度。更高的张力和压载悬链线增加系泊系统的刚度。风轮机的浮子设计的一个关键任程是选择浮子的形状和大小的最优组合、镇流器的容量和系泊系统属性，以达到使浮子响应和机舱加速度在可接受范围内，使建筑和安装成本低的目的。
2 参数设计过程
为了有效地评估一个大型的设计，浮式风电机组系统会参数化来使设计评估过程自动完成。参数化设计体系结构选择浮漂可以被描述为一个圆柱体混凝土碴。混凝土有碴筒是灵活而简单的设计，很容易产生一个海洋风电场。它由一个为风力涡轮机提供浮力的钢瓶组成。混凝土在筒体底部增加了压载水，使其在沥青和轧辊上实现了静态浮选稳定安装风力涡轮机和其连接之前的系绳或悬链线系泊系统的海洋。
对一个具体的设计空间是相当大的碴筒。它的范围从浅吃水只有通过水线面提供稳定的驳船，一个细长的柱形浮标的稳定性由镇流器，对张力腿平台（TLP）恢复主要由提供
缆索系统。设计空间由这些配置和所有中间的。这个本文的目的是提供一种通用的分析方法和共同的约束，以比较这些不同的设计对彼此的性能。概述了设计和分析，如图1中的流程图。
每一个独特的浮动风力涡轮机的配置定义的设计空间，如图所示1。该平台的几何形状被定义的驳船半径和草案。系泊系统由水的深度，线张力和自由表面和锚线之间的角度定义段。每个系泊系统由八个相同的系绳，分组间隔90度分开。该结构包括四个系泊线组，而不是三个，所以如果一个系泊部分失败，系统不会变得不稳定。
在分析设计常数是NREL基线5MW风力发电机组和风它经营的条件。风力涡轮机被假定为在风速11风力发电机组的最大推力和转矩的产生及其特性在图2。
每一个浮动风力涡轮机配置的动态性能分析分解分成三大段。这些都是系泊系统，浮动结构和风涡轮。该程序是用来计算线线张力和恢复矩阵为系泊系统，给定风力涡轮机的负载和静态偏移。wamittm用于生成线性水动力系数和圆柱形浮子的激振力在标准表达式给出了静液系数。fast2产生线性化动态量NREL 5MW风电机组的基线。一个完全耦合的线性动态分析浮动风力涡轮机系统在频域中进行耦合的线，wamittm快速码。稳定的风和一个系统的高斯响应统计海况进行评价使用标准的线性系统理论。
2.1 导出量
2.11 下部结构设计
输入变量和常量的组合被用来进一步定义配置浮动结构。一边的线张力和角是用线来确定结构的零偏移升沉力。输入变量定义了配置水下结构。混凝土道床被添加到结构底部的平衡设计流水线系统总重量的浮力。平台还可以从平台设计中计算出静液性能。由于对称性该系统，在静液恢复矩阵中的唯一非零项是对角项为升沉，俯仰和滚动。wamittm求解波势流问题，浮体相互作用。它会产生频率相关的线性系数的方程运动。对于每一个周期，附加质量和阻尼矩阵生成。wamittm也产生了一个矢量的复杂的令人兴奋的力量，为每一个波周期。
快是用来生成的质量矩阵，阻尼矩阵和恢复5MW矩阵在给定的工作点风力涡轮机。
线是用来产生的属性的系泊系统。而表现的系泊系统可以近似为线性范围的动态位移，它可以作为非线性较大的位移。因此必须解决稳态偏移对于迭代，和恢复矩阵确定的稳态偏移量，而不是零偏移点。系泊系统的加强可以明显松弛悬链线和必须考虑在内。给接触网的恢复系数的评价关于零点偏移点的矩阵可能是足够的。
2.1.2 运动方程和运动幅值算子
一旦所有的线性项的收集，他们组合成的运动方程所示下面的表达式。3重要的是要注意的是附加质量、阻尼和激振力都是频率的函数。
响应幅值算子（RAOS）可以通过求解复杂的矩阵计算一种标准的频域运动方程。
2.1.3 表现矩阵
风电机组性能评价的关键是风的运动轮机机舱。机舱的大型运动会导致涡轮性能退化
在极端条件下对设备的损坏。因此有必要了解对风机机舱运动并使其加速到最小。RAO的表达对机舱的位移和加速度如下。
在计算动线张力时，了解线的方差也很重要关于其平均值的张力。由于迎风面和背风面的线限制的情况下在本文的分析中，迎风面和背风面线张力传递函数如下所示。
恢复系缆系系数由线路方案提供。另一个重要的数量是浮动结构迎风草案和地方自由的区别面波抬高防止底部砰击的结构。相应的饶鉴于以下，忽略辐射和衍射效应的评价局部波高程。
利用传递函数对前面提到的数量，均方根（RMS）的偏差从平均值可以计算使用标准表达式。
2.1.4 约束
这是有利的安装在一个沿海设施的塔，涡轮机和叶片，然后拖整个单位海。这消除了安装风的昂贵和耗时的步骤海上涡轮机。这一分析假设恢复不少于7times;107（Nm/rad）关于水平面，以提供适当的恢复，在牵引条件下。这将提供足够的稳定性，以抵消风载荷的涡轮机和塔没有俯仰超过10度。在运行过程中，系统的稳定性需要大于在牵引过程中，由于风电机组负荷的增加。对于一个跟角的少在这种情况下，总的恢复系数在这个条件下，必须至少为4.2times;108（Nm/rad）。
结构的动态位移不超过该结构的工作，这也是很重要的风力涡轮机的所有限制，但最严重的海态。对于沥青，它是希望在最严重的海态，风力涡轮机保持接近垂直。约束限制了稳定状态间距加上均方根间距小于10度。
静态加上动态线张力不应超过系缆的断裂载荷在一个安全系数。对于张力腿结构，也有必要的行没有失去张力，因为这可能会导致他们失败，通过屈曲载荷。
它是希望的水平的自由表面从未低于底部的结构在操作条件。为了实现这一点，三西格玛的自由表面高程的变化水线不得超过筒草案时跟在稳态失调。
3 设计分析
对2种类型的系泊系统进行了分析。张力腿平台（TLP）有垂直系绳在沥青和轧辊中提供大量的稳定性。低松弛的接触网静态张力系泊线在大约45度，提供小的恢复，在浪涌，俯仰和轧辊。作为正在进行的研究正在调查碴悬链线。当适当地调整到的浮动风力涡轮机系统的动态，他们可以提供一个混合的好处TLP系绳和松弛的悬链线。
对于浮动结构的尺寸，所有的草案都被认为是在2米之间五十米。气缸半径范围在四和二零二米之间。的体积结构受限在2000和15000立方米之间。共777种结构每种类型的系泊系统的气缸进行了分析。
4 结果
要执行的设计比较，几个关键指标被认为是。机舱的RMS加速度是风力发电机的关键性能指标，分析的目的是将所有海态的值降到最低。系统的一个成本驱动程序是大量的水由于这两个帐户的系泊系统的静态张力的结构位移结构质量。另一个成本动因是静态的三西格玛动态张力，因为这涵盖最坏的情况下，负载的系泊系统必须设计。
帕雷托优化张力腿设计：200米水深
一共有5436种不同的结构设计进行评估，在200米水深、120满足设计标准。在图3中，只有在加速的帕雷托前面的设计与张力和位移示。如果有另一个设计的话，设计就被丢弃了具有较低的拉力，位移和加速度值的集合。设计显然是优于废弃的设计。这一步减少了可用的设计数量从12020。有一种普遍的趋势，增加了结构的总位移减小机舱加速度。这是有点预期的更大规模的结构将有一个较低的自然频率。在激增，TLP的固有频率一般在比峰值低值海态的功率谱密度。因此降低TLP固有频率会激增进一步减少重叠的频率峰，从而减少了均方机舱的加速度。这是随着水的深度增加而发生的。之间的关系总张力和机舱加速度，最高加速度值出现在最高的紧张。
帕雷托优化悬链线设计：200米水深
共有777个不同的松弛悬链线系泊浮风力涡轮机的设计评价。所有的配置，导缆器和锚之间的角度是45度。在零点偏移，系泊系统在所有运动模式中提供最小的恢复。然而，迎风接触网硬操作由于操作风荷载时。
777种配置中，66个符合要求的十米海状态。检查只是图17中的4个帕雷托优化设计，2组的设计是本。第一簇设计包含较低的加速度与较高的位移和总的紧张局势。第二集群包含了更高的均方根加速度的设计，但较低的位移和更高的总紧张局势。在集群的设计与更高的加速度，所有的紧张局势是非常相似的。因此，设计的最低加速度和位移是最好的。一个每个群集的示例设计也在下面更详细地检查了。
帕雷托优化张力腿结果：60米水深
在前面的章节中检查的每一个结构也可以分析在60米的水深度。六十米是刚刚超越刚性结构的海底。因此，它表示一个可能的第一步向安装的浮动风力涡轮机。
当5439种 TLP设计进行十米海况，其中只有六符合要求。这六个设计中，五个是帕雷托最优。这五种设计都显示在图5。所有的结构都相当大，至少有13000吨的位移。
在帕雷托面前，又有增加减少机舱加速度的趋势位移。总的系缆张力是915和945吨，一个小值范围。因此，挑选最好的结构只是一个交易附加的决定下加速度位移。
在十米的有效波高机舱加速度大于60米以上水深200米。下面提出的设计具有最低的加速度和最高在帕雷托面前所有TLP设计位移。
5 概述
在十米的类中，帕雷托最优的设计相对于其他所有的设计都是最佳的海态列于表6。张力腿平台代表有吸引力的选择，因为他们的低均方根加速度和可忽略不计的升沉和俯仰运动。相比六个设计表海状态所有的设计位移相当多的体积，并具有较高的加速度和总系泊张力。此外，随着TLP机舱加速度减小对于相同的系绳张力水深。
在60米水深的TLP的设计是一个很好的执行结构，虽然与位移为14350吨，相当大。较短的系泊线有助于较高的固有频率比同等结构在200米水深，增加机舱的均方根加速度。
在本研究中测试的所有设计的总结，提出了在帕雷托图6为6m海况10m海况和图7分别为。水平轴图静态 3 *六西格玛张力的天气线和垂直轴图的标准偏差冲击加速度在机舱占G。在所有情况下，水的深度是200米。
从图6和图7，TLP设计通常导致低机舱加速度由于他们的冲击频率低于周围seastates模态频率。TLP系绳总紧张显示广泛的变化是一种选择的功能浮子尺寸和混凝土压重。两个最有前途的设计，TLP—1、tlp-2和tlp-3在4节详细讨论。
一些松弛的链设计显示低机舱加速度和低缆紧张局势。这些漂浮物产生的稳定性从大水线面面积和镇流器。小刚度是从系泊系统的贡献。值得注意的是，在十米的海况存在重叠的TLP和一马接触网设计的建议选择最有吸引力的设计可能会建议的其他因素，例如施工成本。一个有前途的松弛链设计，在4节中详细讨论。在一般情况下，教接触网的设计与高系泊线张力和刚度似乎并不有吸引力的，因为它们的响应频率与固有频率重合高海况谱导致机舱加速度。
从帕雷托图在图6和图7，最佳的漂浮风力
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