KIM Beomil首席  

船舶海洋技术组  

1. 研究的必要性

海上风力发电与陆上风力相比，具有布局容易的大规模园区、风质量优良、大型风力发电机零部件运输不受限制等优点。最近在现有的固定式jacket类型中，浮式海上风力发电成为了热门话题，最大的原因是它具有深海安装的巨大优点。离陆地越远就能获得更好的优质风资源，在海上风力小区建设最大绊脚石的利用率和居民可接受性问题上也相对自由，作为最理想的风力方式备受关注。

海上风力发电机需要设计海上准确反映风量、风向、水深、油气波高等设计海上的事前环境信息。从构件的角度来看，可以大致区分为上部风力发电机和下部浮体构件，由于上部和下部构件的结构特性及运动模式的差异，在设计时，必须考虑对两种构件的延性作用。对于下部结构物，由于波浪负载，与上部结构物相比，呈现出相对低频响应的大浮体举动，这种运动会影响风力发电机的功率衰减（Aerodynamic阻尼）和稳定性（stability）。同样为了风力发电机的控制系统设计，要求设计既能保证浮体结构物运动和风力发电机运动稳定性，又能获得最大效率。对于额外复杂的平台形状，可能要求计算流体力的复杂过程，如衍射和辐射问题，必须考虑系留系统的设计和安装。

图1. Floating Offshore Wind Turbine * J. jonkman, National Renewable Energy Laboratory (NREL)

2.耦合负载分析

为了准确解释海上风力发电机的负载，需要考虑上部风力发电机和下部浮体6自由度运动的相互作用。作用在风力发电机上的负载需要考虑塔架及机翼的弹性效应和可变速发电机控制及机翼俯仰角控制效果。下部浮体结构不仅需要6自由度运动，还需要系留线的非线性举动及惯性、抗力的计算，另外还需要浮体的非线性粘性抗力计算。因此为了计算作用在悬浮式风力发电机上的负载，现有的适用于船舶类型的频域（Frequency Domain）方法中存在很多约束，通过执行时域（Time Domain）解析来考虑负载相互影响的方法是有效的。

3.开发结构安全性评估程序

海上风力发电机下部结构浮体的设计评估方法开发可以分为负载领域和结构领域。对于负载领域，可以使用开放源程序OpenFAST或商用程序Orcaflex进行计算，它可以执行基于非线性解析的集成负载解析，也可以执行由美国新再生能源研究所（NREL）开发的风力发电机的功率-弹性-控制-结构解析。虽然是为早期陆用涡轮解析而开发的，但最近开发出了可计算浮式结构物的方法，对于浮体，假设为刚体进行解析可以通过联立动态系留负载、动态风力发电机的响应来生成时钟热负载响应。此时，为了解释悬浮体运动，需要悬浮体流体力系数，可以在基于势理论的频域内计算。生成的时钟热要素负载可以分别分离为波浪、运动、惯性、系留、风力涡轮机负载等，并输出结果。结构领域为了设计及评估的效率性，可以适用现有船舶及海洋结构物结构健全性评估的线性系统。这意味着通过延性荷载解析计算的综合荷载的结构响应等于各因素荷载的结构响应之和。通过在结构领域引入线性系统，结构对每个荷载的响应与荷载的大小成比例。对计算的单位荷载的结构响应，可以与荷载域中计算荷载的大小合成计算表列结构应力响应，也可以计算设计极限应力及疲劳设计应力响应，进行结构安全性评估。

图2. 结构强度评估程序

3.1 设计极限应力

为了评估浮体结构安全性必须进行投降及左屈强度的评估。对于屈服强度可以采用钢结构物通常适用的Von-Mises失效准则。在Fig.3中显示了利用在目标海域计算的应力表列数据计算设计极限应力的步骤。由于Von-Mises应力总是正值，因此可以通过峰值计数在波浪响应周期内找到最大值，通过这些值的累积分布函数估计出相应概率下的最大值。另外，对于左屈刚度引入现有船级规定的概念，加固板采用基于板理论的船级经验式，压缩和弯曲荷载下的柱框架采用油勒弹性左屈式进行计算。

图3. 设计极限应力评估

3.2疲劳设计应力

疲劳分析大致可以考虑两种方法。一种是从时系列应力数据中应用行程统计法计算应力范围和频率的方法。计算出的应力范围和频率可以用直方图表示，采用线性累积损伤法则，可以直接计算疲劳强度薄弱部位的疲劳寿命。另一种方法是利用频域中计算的应力传递函数的方法。这是利用应力传递函数和波浪谱计算响应谱，通过统计解释计算疲劳损伤度的方法。

此时，虽然比直接利用前面介绍的时系列数据进行计算的方法更有效率，但除了波浪响应之外，预计风力发电机及溪流负载的响应等其他多个负载因子计算的应力谱将产生双峰或更高的宽带响应，而不是单峰。一般来说，窄带响应单峰型应力传递函数是以瑞利函数为基础表达的，采用可以表达宽带响应的谱，可以较为准确地估计疲劳损伤度。

图4. 设计疲劳应力评估

4.向后计划

韩国船级社正在开发可以实际适用前面介绍的评估程序的具体评估和程序。开发的具体评估步骤及程序等将适用于R&D课题、认证、结构健全性评估项目等多种技术支援。