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中國南海浮式風電基礎的水動力性能和服役安全研究為應對全球氣候變化和發展清潔能源,挪威、英國、丹麥、德國、美國和日本等國較早地研究開發了海上風電技術。

一、課題來源與背景

2000 年，丹麥建設了世界上第一個商業化意義的海上風電場，先進的國家電網成為其大力發展風電的網絡基礎。得益於獨特的地理位置,英國在發展海上風能一直處於全球領先地位,並不斷着力於加強對外合作以及促進本土產業鏈發展。德國政府規劃到2030年全國用電量的65％來自於可再生能源,德國在北海、波羅的海擁有着優質的海上風電資源，發展海上風電是未來德國能源轉型計劃的重要戰略組成部分。截至2018年年底,美國進入規劃階段的海上風電項目總計約25GW,美國發展可再生能源的速度在近幾年顯著加快。據日本風電協會稱，為支持本國海上風電的發展,日本政府選取了11 處海域作為未來海上風電建設潛在場址，其中四處海域先行開發；日本第一次海上風電競標有望在2020 年初開展，第一個商業化項目有望於2030 年投產運營。挪威目前雖然沒有海上風電場，但在海工領域經驗豐富，並在全球範圍內涉足了大量的海上風電項目,包括應用了浮式風機的英國蘇格蘭Hywind 風電場;挪威致力於發展海上浮式風機,讓海上風電從近海走向深遠海。

我國陸上風機技術較為成熟，但海上風機起步較晚，尤其對浮式風電技術研究較少。2006 年,海上風電被正式列入我國可再生能源板塊,但初期進展緩慢;2010 年東海大橋項目的投產實現了我國海上風電零突破，此後，又進一步開展了試驗示範。但至目前為止,我國尚無海上浮式風電示範性工程項目和針對工業生產的專門研究和設計。

二、成果簡介

對浮式風機氣動響應特性進行了研究，將梁理論研究中的最新成果——幾何精確梁理（MBBT）與葉素-動量理論相結合,考慮葉片結構的非線性特徵和氣動彈性，耦合求解風機葉片的氣動荷載，對風機空氣動力學分析模型進行有效修正，提高模型計算精度和可靠度。分析比較了定常風、湍流風、不同風譜以及不同湍流強度等因素對浮式風機氣動特性響應的影響，對數值模擬中氣動載荷分析參數的選取具有借鑑指導作用。

對浮式風機水動力載荷進行了深入研究，研究了波浪粘性力對風機基礎動力響應的影響；對於浮式風機系泊系統，研究了錨泊靜回復力、錨泊阻尼和系泊纜布置方式對浮式風機運動響應的影響，並分析比較了懸鏈線和張緊式系泊對浮式基礎運動響應和系泊張力的影響;針對spar型浮式風機基礎,設計了一種能改善浮式風機運動性能的新式系泊系統。

研究了耦合方法對浮式風機動力響應的影響，結合試驗，驗證了一體化全耦合方法建模的準確性，比較了全耦合方法和限制性耦合方法對數值結果計算的影響。在實際工程中，由於產商不公開轉子結構數據，因而建立一體化整機模型較為困難，上部風機和下部基礎可能無法做到實時數據交互傳遞。限制性耦合方法計算結果可能偏於安全，不利於提高經濟性。

對典型的Spar式和半潛式風機的水動力以及運動性能進行了比較分析。在南海特定海況下，研究了三種典型的半潛式浮式風機的水動力和運動性能，並針對不同半潛式風機在不同水深的適應性進行了比較分析；提出了三種不同型式的小水線改進式半潛風機基礎，並研究了新型浮式基礎的水動力性能。

根據上述研究內容，最終提出了南海浮式風機基礎的選型建議。 基於斷裂力學的基本理論,開展某半潛式基礎結構損傷和破壞機理研究,建立其疲勞壽命估計模型以及安全評定模型，並對複雜環境下浮式基礎的疲勞裂紋評估進行研究；以OC4 DeepCwind浮式風機基礎型式為研究對象，建立其結構分析的有限元計算模型，分析風機基礎結構的應力以及應變分布規律，並進行浮式基礎結構強度校核和基礎支撐結構局部強度分析；研究系泊張力特性、系泊系統阻尼對浮式風機疲勞壽命的影響，對系泊點處基礎支撐結構局部進行了疲勞壽命分析；基於譜分析方法對浮式基礎結構進行了疲勞分析。通過上述研究工作，為海上浮式風機基礎的設計和改進提供理論基礎，有助於達到縮減海上風機系統建設成本的目的。

三、推廣應用前景與措施

為應對全球氣候變化和發展清潔能源，挪威、英國、丹麥、德國、美國和日本等國較早地研究開發了海上風電技術。

2000年,丹麥建設了世界上第一個商業化意義的海上風電場,先進的國家電網成為其大力發展風電的網絡基礎。得益於獨特的地理位置,英國在發展海上風能一直處於全球領先地位，並不斷着力於加強對外合作以及促進本土產業鏈發展。德國政府規劃到2030年全國用電量的65％來自於可再生能源,德國在北海、波羅的海擁有着優質的海上風電資源，發展海上風電是未來德國能源轉型計劃的重要戰略組成部分。

截至2018 年年底,美國進入規劃階段的海上風電項目總計約25GW,美國發展可再生能源的速度在近幾年顯著加快。據日本風電協會稱,為支持本國海上風電的發展,日本政府選取了11 處海域作為未來海上風電建設潛在場址,其中四處海域先行開發；日本第一次海上風電競標有望在2020 年初開展,第一個商業化項目有望於2030 年投產運營。挪威目前雖然沒有海上風電場,但在海工領域經驗豐富,並在全球範圍內涉足了大量的海上風電項目,包括應用了浮式風機的英國蘇格蘭Hywind 風電場；挪威致力於發展海上浮式風機，讓海上風電從近海走向深遠海。我國陸上風機技術較為成熟,但海上風機起步較晚,尤其對浮式風電技術研究較少。2006年,海上風電被正式列入我國可再生能源板塊，但初期進展緩慢；2010年東海大橋項目的投產實現了我國海上風電零突破,此後,又進一步開展了試驗示範。但至目前為止，我國尚無海上浮式風電示範性工程項目和針對工業生產的專門研究和設計。

海上浮式風電發展前景廣闊，深水區域風資源豐富，無遮蔽效應，對陸上無噪音影響，目前深水區域的海上浮式風電技術研發是世界的發展趨勢和科研最前沿。歐洲海上浮式風電領先於其他地區，我國尚無示範工程建設。本項目通過對我國南海區域環境特點，對海上浮式風機的全耦合計算分析方法、水動力性能以及服役安全進行了系統的研究工作。

本項目對浮式風機氣動響應特性進行了研究，將梁理論研究中的最新成果——幾何精確梁理(MBBT)與葉素-動量理論相結合,考慮葉片結構的非線性特徵和氣動彈性，耦合求解風機葉片的氣動荷載，對風機空氣動力學分析模型進行有效修正,提高模型計算精度和可靠度。分析比較了定常風、湍流風、不同風譜以及不同湍流強度等因素對浮式風機氣動特性響應的影響，對數值模擬中氣動載荷分析參數的選取具有借鑑指導作用。

對浮式風機水動力載荷進行了深入研究，研究了波浪粘性力對風機基礎動力響應的影響；對於浮式風機系泊系統,研究了錨泊靜回復力、錨泊阻尼和系泊纜布置方式對浮式風機運動響應的影響，並分析比較了懸鏈線和張緊式系泊對浮式基礎運動響應和系泊張力的影響；針對spar 型浮式風機基礎，設計了一種能改善浮式風機運動性能的新式系泊系統。

研究了耦合方法對浮式風機動力響應的影響，結合試驗，驗證了一體化全耦合方法建模的準確性，比較了全耦合方法和限制性耦合方法對數值結果計算的影響。在實際工程中，由於產商不公開轉子結構數據，因而建立一體化整機模型較為困難，上部風機和下部基礎可能無法做到實時數據交互傳遞。限制性耦合方法計算結果可能偏於安全，不利於提高經濟性。

對典型的Spar 式和半潛式風機的水動力以及運動性能進行了比較分析。在南海特定海況下，研究了三種典型的半潛式浮式風機的水動力和運動性能,並針對不同半潛式風機在不同水深的適應性進行了比較分析；提出了三種不同型式的小水線改進式半潛風機基礎，並研究了新型浮式基礎的水動力性能。根據上述研究內容，最終提出了南海浮式風機基礎的選型建議。

基於斷裂力學的基本理論，開展某半潛式基礎結構損傷和破壞機理研究，建立其疲勞壽命估計模型以及安全評定模型,並對複雜環境下浮式基礎的疲勞裂紋評估進行研究;以OC4 Deep Cwind 浮式風機基礎型式為研究對象，建立其結構分析的有限元計算模型，分析風機基礎結構的應力以及應變分布規律，並進行浮式基礎結構強度校核和基礎支撐結構局部強度分析；研究系泊張力特性、系泊系統阻尼對浮式風機疲勞壽命的影響，對系泊點處基礎支撐結構局部進行了疲勞壽命分析；基於譜分析方法對浮式基礎結構進行了疲勞分析。通過上述研究工作，為海上浮式風機基礎的設計和改進提供理論基礎，有助於達到縮減海上風機系統建設成本的目的。