CN112343774A - 一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统及制作方法 - Google Patents

一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统及制作方法，包括浮式风电装置模型、模型响应测量系统以及环境参数测量系统；浮式风电装置模型包括浮式基础和塔筒，塔筒顶部连接有风机；浮式基础侧表面连接有多条泊锚装置，模型响应测量系统包括IMU单元、风机监测单元和锚泊张力测量单元；环境参数测量系统包括浮标式浪高仪、风速风向仪和流速流向仪；该系统通过采用较大尺度的海上风力发电装置模型，并在真实海域中开展风浪联合作用下的模型试验，规避现有技术中在实验室水池中进行试验所产生的问题与缺陷；在有效控制成本的前提下，获取的测试数据可为海上风力发电装置的动力响应和发电效率评估提供真实可靠的数据来源。

Description

一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统及制作 方法
技术领域
本发明属于海上风力发电技术领域，更具体地，涉及一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统及制作方法。
背景技术
漂浮式海上风力发电装置的设计开发需要评估其在风浪联合作用下的动力响应和发电能力，涉及到空气动力和水动力性能的耦合分析，常用的研究手段包括势流理论计算、CFD数值模拟和模型试验。试验方法是漂浮式海上风力发电装置设计研发过程中不可或缺的技术手段，不仅可以验证理论计算与数值模拟方法的正确性，还可用于外推预报实尺度风力发电装置在真实海洋环境中服役时的动力性能和发电效率。
现有的海上风力发电装置的模型试验一般都是在实验室水池中开展的，例如专利号为“CN 109599015 A”、“CN 109406096 A”、“CN 109406087 A”及“CN 109377841 A”的中国专利，通过造波机和风机装置可以分别模拟自然海域中的波浪和风场，从而研究风浪环境作用下的海上风力发电装置的空气动力和水动力性能。但现有的在实验室水池中进行的模型试验存在一定问题：
1，采用小尺度模型的风力发电装置开展的流体力学试验存在一定的尺度效应；
2，实验室水池存在空间局限性，试验模型受限于试验空间，模型设置比较小；会导致雷诺数相似与弗劳德数相似之间的矛盾性较大，使得模型所受水动力与气动载荷无法同时完全满足相似关系；
3，实验室水池中所模拟的风浪环境与实际三维海浪环境存在较大的差异性，实验室水池的水深状况较浅，也无法有效进行系统的系泊系统模拟与受力分析；
4，实验室模拟测试的时间有限，难以准确外推预测实际海上风力发电装置在长期服役期间的极值运动与载荷响应；
5，在水池试验中，由于模型较小，试验模型往往采用玻璃钢或者木材进行制作，无法有效保证结构本身的刚度相似，且无法在试验过程中对于结构本身的结构应力以及振动模态信息进行监测分析。
综上所述，急需设计一种大尺度的漂浮式海上风力发电装置，用于在真实海域中进行模型试验，从而规避上述在实验室水池中存在的问题，在有效控制成本的基础上获得更精确的试验结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统及制作方法，通过采用较大尺度的海上风力发电装置模型，并在真实海域中开展风浪联合作用下的模型试验，规避现有技术中在实验室水池中进行试验所产生的问题与缺陷；在有效控制成本的前提下，获取的测试数据可为海上风力发电装置的动力响应和发电效率评估提供真实可靠的数据来源。
为了实现上述的技术特征，本发明采用的技术方案是：一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，它包括浮式风电装置模型、模型响应测量系统以及环境参数测量系统；浮式风电装置模型包括浮式基础，浮式基础包括桩腿，桩腿之间连接有支架；浮式基础上表面中心处连接有塔筒，塔筒直径由底端至顶端逐渐缩小；塔筒顶部连接有风机；浮式基础侧表面连接有多条泊锚装置，泊锚装置包括连接在浮式基础上的锚链，以及锚链上连接的多个锚块；模型响应测量系统包括IMU单元、风机监测单元和锚泊张力测量单元。
优选地，IMU单元固定在塔筒侧表面下部。
优选地，风机监测单元与风机尾部连接，风机测试单元包括功率、转速监测模块和扭矩推力传感器。
优选地，锚泊张力测量单元与浮式基础侧表面连接，锚链一端与锚泊张力测量单元连接。
优选地，环境参数测量系统包括浮标式浪高仪，浮标式浪高仪上方连接有风速风向仪；浮标式浪高仪下方连接有流速流向仪，流速流向仪位于液面以下；多个环境参数测量系统布置在浮式基础周围海域。
优选地，浮标式浪高仪下方连接有仪器系泊装置，仪器系泊装置包括锚具和连杆，连杆一端与浮标式浪高仪底部连接，流速流向仪固定在连杆上。
优选地，浮式基础的桩腿边缘均连接有电容式浪高仪。
优选地，浮式基础的桩腿上表面、塔筒外表面距离海面10m高处，以及风机前方轮毂中心位置处均连接有风速风向仪。
优选地，浮式基础和塔筒的内部结构均基于刚度等效原则，依照实尺度装置进行简化；简化后系统与实尺度装置的振动固有频率相似；浮式基础和塔筒外表面设置有多个应力应变传感器。
优选地，如上所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统的制作方法，包括如下步骤：
S1，依照弗劳德数相似法则确定模型的缩尺比：首先根据试验需求、制作成本、风浪环境可重复性综合确定浮式基础以及塔筒的缩尺比；然后由钢材制成浮式基础及塔筒；浮式基础和塔筒的外部型线与实尺度装置相同，按缩尺比进行比例缩放；
S2，依据风推力等效相似原则对风机进行设计选型：通过实尺度与模型尺度的波高-波浪周期的分布参数及风速-浪级对应关系确定风机模型的几何缩尺比；并对模型叶片的几何外形进行适当修正，保证风机对塔筒上方连接处水平推力与实尺度装置中风机对塔筒固定端的推力满足弗劳德数相似条件；风机的缩尺比可与浮式基础的缩尺比不同；
S3，结合选取的模型缩尺比选取大尺度模型试验的海域位置，选取过程如下：
a.收集待模拟的实尺度漂浮式海上风电装置工作海域的海况信息，根据相似定律计算模型装置进行试验所需的海况信息；
b.相似定律计算如下：
Hm＝Hp/λ；
Figure BDA0002747740940000031
H为有义波高、T为特征周期、λ为缩尺比；下角标p和m分别代表实尺度和模型尺度；
c.根据试验海域的海浪长期统计资料，综合考虑海域位置、气候季节、天气状况、离岸距离和试验时间多项因素，依据最大可重复性原则，选取满足相似定律的试验海域；
S4，将制作好的浮式风电装置模型设置在试验海域，采用锚泊装置进行固定；根据试验海域的水深情况确定锚链的长度和固定方式，通过锚泊张力测量单元收集锚泊装置的受力状况，保证模型尺度下与实尺度下的锚泊系统受力情况满足弗劳德数相似条件；
S5，在浮式风电装置模型一定距离处的海域布置多个环境参数测量系统；模型响应测量系统和环境参数测量系统中的各个传感器测量信号通过无线电信号传输装置实时传递至岸上的数据采集仪进行存储；
S6，开展风力发电试验，通过数据分析预测实尺度下海上风力发电装置的动力响应和发电功率；
S7，开展深水环境的系泊系统模拟与受力分析，对实尺度下海上风力发电装置的系泊系统状态进行分析预测；通过浮式基础和塔筒表面的多个应力应变传感器对风力发电装置的结构应力和振动模态信息进行监测和分析。
本发明的有益效果是：
1，将试验环境由空间受限的试验水池改为在真实海域中进行，可以采用较大尺度的海上风力发电装置模型，从而可以有效减小雷诺尺度效应，使模型所受水动力与气动载荷尽可能地满足相似关系，从而更准确地预测实际海上风力发电装置的动力响应和发电功率。
2，试验是在真实的自然风浪环境中展开的，通过相似定律对模型所需的试验海域的水文状况进行计算，根据计算结果在真实海域中进行匹配，选取试验海域，从而尽可能保证了试验海域满足相似性需求；且作用于模型的波浪为三维海浪，所诱导的浮体运动响应更加贴近真实情况，保证了试验结果的准确性。
3，真实海域提供了良好的水深条件，得益于模型本体的各个部分遵循弗劳德相似准则进行制作，因此可以对海上风力发电装置模型开展深水环境下的系泊系统模拟与受力分析，解决了实验室模型试验中水池深度不足的问题。
4，风机的选型和设计的缩尺比独立于浮式基础本体，遵循风推力等效相似原则。因此可以通过对风机及其叶片的重新设计、选型和组合，来满足自然风浪环境下的空气动力与水动力的相似关系，有利于研究漂浮式风力发电装置的空气动力与水动力的耦合性能。
5，现有技术的风浪由风机和造波机人工制造，无法满足连续长时间试验的需求，本专利通过将大尺度风力发电装置布置放在海上，可以开展中长期连续试验，试验可以持续数月至数年，在不同气候条件下进行，从而测量更多数据，为统计分析提供更充分的数据样本。
6，由于在真实海域中进行试验，且试验装置本体的缩尺比可以设置较大，大尺度的试验装置本体可以通过钢材加工，外部结构进行比例缩放，在内部结构上进行简化，只要满足主要结构的刚性相似即可；这样的试验装置可以有效模拟实尺度下风力发电装置在运行中的结构应力以及振动模态，从而进行监测以及数据分析，有利于更全面的了解实尺度下海上风力发电装置的运行状况。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例中漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型结构示意图；
图2是本发明实施例中的一体化环境监测仪结构示意图；
图3是本发明实施例中监测数据的遥控遥测系统示意图；
图4是本发明实施例中大尺度模型试验海况选取流程图。
附图标记为：浮式基础1，塔筒2，风机3，锚泊装置4，锚链5，锚块6，IMU单元7，风机监测单元8，系泊张力测量单元9，浮标式浪高仪10，风速风向仪11，流速流向仪12，电容浪高仪13，仪器系泊系统15。
具体实施方式
实施例1：
如图1～图3中,一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，它包括浮式风电装置模型、模型响应测量系统以及环境参数测量系统；浮式风电装置模型包括浮式基础1，浮式基础1包括桩腿，桩腿之间连接有支架；浮式基础1上表面中心处连接有塔筒2，塔筒2直径由底端至顶端逐渐缩小；塔筒2顶部连接有风机3；浮式基础1侧表面连接有多条泊锚装置，泊锚装置包括连接在浮式基础1上的锚链5，以及锚链5上连接的多个锚块6；模型响应测量系统包括IMU单元7、风机3监测单元和锚泊张力测量单元。
优选地，IMU单元7固定在塔筒2侧表面下部；IMU单元7可以测量浮体基础的六自由度运动及加速度信息。
优选地，风机3监测单元与风机3尾部连接，风机3测试单元包括功率、转速监测模块和扭矩推力传感器；风机3监测单元可以测量风机3叶片的转速、推力、转矩和功率。
优选地，锚泊张力测量单元与浮式基础1侧表面连接，锚链5一端与锚泊张力测量单元连接；锚泊张力测量单元选用拉力传感器，用于测量锚链5受力。
优选地，环境参数测量系统包括浮标式浪高仪10，浮标式浪高仪10上方连接有风速风向仪11；浮标式浪高仪10下方连接有流速流向仪12，流速流向仪12位于液面以下；多个环境参数测量系统布置在浮式基础1周围海域；浮标式浪高仪10布置在距离风力发电装置模型一定距离处测量试验海域的海浪信息；风速风向仪11布置在距离风力发电装置模型一定距离处测量试验海域的风速风向；流速流向仪12布置在距离风力发电装置模型一定距离处测量试验海域的流速流向。
优选地，浮标式浪高仪10下方连接有仪器系泊装置，仪器系泊装置包括锚具和连杆，连杆一端与浮标式浪高仪10底部连接，流速流向仪12固定在连杆上；连杆采用配重后的实心钢管，与仪器系泊装置配合可以保持浮标式浪高仪10的姿态和位置稳定。
优选地，浮式基础1的桩腿边缘均连接有电容式浪高仪；测量作用于各桩腿上的实时波高。
优选地，浮式基础1的桩腿上表面、塔筒2外表面距离海面10m高处，以及风机3前方轮毂中心位置处均连接有风速风向仪。
优选地，浮式基础1和塔筒2的内部结构均基于刚度等效原则，依照实尺度装置进行简化；简化后系统与实尺度装置的振动固有频率相似；浮式基础1和塔筒2外表面设置有多个应力应变传感器，可以对风力发电装置的结构应力和振动模态信息进行监测。
实施例2：
如图1～图4所示，优选地，一种7MW漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统的制作方法，包括如下步骤：
S1，依照弗劳德数相似法则确定模型的缩尺比：首先根据试验需求、制作成本、风浪环境可重复性综合确定浮式基础1以及塔筒2的缩尺比为1：10；然后由钢材制成浮式基础1及塔筒2；浮式基础1和塔筒2的外部型线与实尺度装置相同，按缩尺比进行比例缩放；各物理量的缩尺因子如下表所示：(λ＝10)
参数 缩尺比 参数 缩尺比 参数 缩尺比
几何长度 λ 面积 λ<sup>2</sup> 体积 λ<sup>3</sup>
角度 1 流体密度 1 质量 λ<sup>3</sup>
时间 λ<sup>1/2</sup> 频率 λ<sup>-1/2</sup> 线速度 λ<sup>1/2</sup>
线加速度 1 角速度 λ<sup>-1/2</sup> 角加速度 λ<sup>-1</sup>
力 λ<sup>3</sup> 力矩 λ<sup>4</sup> 功率 λ<sup>3.5</sup>
杨氏模量 1 应力 1 质量惯性矩 λ<sup>5</sup>
S2，依据风推力等效相似原则对风机3进行设计选型：通过实尺度与模型尺度的波高-波浪周期的分布参数及风速-浪级对应关系确定风机3模型的几何缩尺比为1:10；并对模型叶片的几何外形进行适当修正，保证风机3对塔筒2上方连接处水平推力与实尺度装置中风机3对塔筒2固定端的推力满足弗劳德数相似条件；考虑到模型尺度下风浪联合作用下海上风场的风速往往高于根据付如德相似换算所得到的风速目标值，因此试验中的模型风机3可选用较小型号规格；风机轮毂高度(距水面高度)为9.5m；
S3，结合选取的模型缩尺比选取大尺度模型试验的海域位置，选取过程如下：
a.收集待模拟的实尺度漂浮式海上风电装置工作海域的海况信息，根据相似定律计算模型装置进行试验所需的海况信息；
b.相似定律计算如下：
Hm＝Hp/λ；
Figure BDA0002747740940000061
H为有义波高、T为特征周期、λ为缩尺比；下角标p和m分别代表实尺度和模型尺度；
c.根据试验海域的海浪长期统计资料，综合考虑海域位置、气候季节、天气状况、离岸距离和试验时间多项因素，依据最大可重复性原则，选取满足相似定律的试验海域；
S4，将制作好的浮式风电装置模型设置在试验海域，采用锚泊装置4进行固定；根据试验海域的水深情况确定锚链5的长度和固定方式，通过锚泊张力测量单元收集锚泊装置4的受力状况，保证模型尺度下与实尺度下的锚泊系统受力情况满足弗劳德数相似条件；设置好后的装置本体的模型尺度与实尺度的设计结果如下表：
Figure BDA0002747740940000062
Figure BDA0002747740940000071
S5，在浮式风电装置模型一定距离处的海域布置多个环境参数测量系统；模型响应测量系统和环境参数测量系统中的各个传感器测量信号通过无线电信号传输装置实时传递至岸上的数据采集仪进行存储；
S6，开展风力发电试验，通过数据分析预测实尺度下海上风力发电装置的动力响应和发电功率；
S7，开展深水环境的系泊系统模拟与受力分析，对实尺度下海上风力发电装置的系泊系统状态进行分析预测；通过浮式基础1和塔筒2表面的多个应力应变传感器对风力发电装置的结构应力和振动模态信息进行监测和分析。
进一步地，模型响应测量系统和环境参数测量系统中的各传感器测量信号通过无线电信号传输，实时传递至岸上的数据采集仪进行存储；一方面可以避免海上测试数据的丢失，另一方面还可以对浮式风电装置系统的状态进行实时监测与安全性评估。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，其特征在于：它包括浮式风电装置模型、模型响应测量系统以及环境参数测量系统；浮式风电装置模型包括浮式基础(1)，浮式基础(1)包括桩腿，桩腿之间连接有支架；浮式基础(1)上表面中心处连接有塔筒(2)，塔筒(2)直径由底端至顶端逐渐缩小；塔筒(2)顶部连接有风机(3)；浮式基础(1)侧表面连接有多条泊锚装置(4)，泊锚装置(4)包括连接在浮式基础(1)上的锚链(5)，以及锚链(5)上连接的多个锚块(6)；模型响应测量系统包括IMU单元(7)、风机监测单元(8)和锚泊张力测量单元(9)。
2.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，其特征在于：所述IMU单元(7)固定在塔筒(2)侧表面下部；风机监测单元(8)与风机(3)尾部连接，风机测试单元(8)包括功率、转速监测模块和扭矩推力传感器。
3.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，其特征在于：所述锚泊张力测量单元(9)与浮式基础(1)侧表面连接，锚链(5)一端与锚泊张力测量单元(9)连接。
4.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，其特征在于：所述环境参数测量系统包括浪高仪(10)，浪高仪(10)上方连接有风速风向仪(11)；浪高仪(10)下方连接有流速流向仪(12)，流速流向仪(12)位于液面以下；多个环境参数测量系统布置在浮式基础(1)周围。
5.根据权利要求4所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，其特征在于：所述浪高仪(10)下方连接有仪器系泊装置(15)，仪器系泊装置(15)包括锚具和连杆，连杆一端与浪高仪(10)底部连接，流速流向仪(12)固定在连杆上。
6.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，其特征在于：所述浮式基础(1)的桩腿边缘均连接有电容式浪高仪(13)。
7.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，其特征在于：所述浮式基础(1)的桩腿上表面、塔筒(2)外表面上方，以及风机(3)前方轮毂中心位置处均连接有风速风向仪。
8.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统，其特征在于：所述浮式基础(1)和塔筒(2)的内部结构均基于刚度等效原则，依照实尺度装置进行简化；简化后系统与实尺度装置的振动固有频率相似；浮式基础(1)和塔筒(2)外表面设置有多个应力应变传感器。
9.根据权利要求1～8所述的一种漂浮式海上风力发电装置的大尺度模型试验系统的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，依照弗劳德数相似法则确定模型的缩尺比：首先根据试验需求、制作成本、风浪环境可重复性综合确定浮式基础(1)以及塔筒(2)的缩尺比；然后由钢材制成浮式基础(1)及塔筒(2)；浮式基础(1)和塔筒(2)的外部型线与实尺度装置相同，按缩尺比进行比例缩放；
S2，依据风推力等效相似原则对风机进行设计选型：通过实尺度与模型尺度的波高-波浪周期的分布参数及风速-浪级对应关系确定风机(3)模型的几何缩尺比；并对模型叶片的几何外形进行适当修正，保证风机(3)对塔筒(2)上方连接处水平推力与实尺度装置中风机对塔筒固定端的推力满足弗劳德数相似条件；风机(3)的缩尺比可与浮式基础(1)的缩尺比不同；
S3，结合选取的模型缩尺比选取大尺度模型试验的海域位置，选取过程如下：
a.收集待模拟的实尺度漂浮式海上风电装置工作海域的海况信息，根据相似定律计算模型装置进行试验所需的海况信息；
b.相似定律计算如下：
Hm＝Hp/λ；
Figure FDA0002747740930000021
H为有义波高、T为特征周期、λ为缩尺比；下角标p和m分别代表实尺度和模型尺度；
c.根据试验海域的海浪长期统计资料，综合考虑海域位置、气候季节、天气状况、离岸距离和试验时间多项因素，依据最大可重复性原则，选取满足相似定律的试验海域；
S4，将制作好的浮式风电装置模型设置在试验海域，采用锚泊装置(4)进行固定；根据试验海域的水深情况确定锚链(5)的长度和固定方式，通过锚泊张力测量单元(9)收集锚泊装置(4)的受力状况，保证模型尺度下与实尺度下的锚泊系统受力情况满足弗劳德数相似条件；
S5，在浮式风电装置模型一定距离处的海域布置多个环境参数测量系统；模型响应测量系统和环境参数测量系统中的各个传感器测量信号通过无线电信号传输装置实时传递至岸上的数据采集仪进行存储。
10.权利要求所述1的试验系统在分析预测实尺度下海上风力发电装置的动力响应和发电功率、以及对实尺度下海上风力发电装置的系泊系统状态进行分析预测和对风力发电装置的结构应力、振动模态信息进行监测和分析中的应用。
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