【摘要】根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件，利用GH-blade 軟件建立了海上風(fēng)電機(jī)組模型，仿真計(jì)算并且分析了不同水深對(duì)整機(jī)極限、疲勞載荷的影響，為進(jìn)一步開發(fā)和利用近海乃至深海風(fēng)能資源提供必要的理論參考。
　　
　　【關(guān)鍵詞】水深；風(fēng)-波浪；海上風(fēng)機(jī)；載荷
　　
　　0 目的意義
　　
　　海上風(fēng)電場(chǎng)原則上應(yīng)建立在離岸距離不少于10 公里、灘涂寬度超過10 公里時(shí)海域水深不得少于10 米的近海海域。我國(guó)近海風(fēng)能資源十分豐富，10—30m 水深的風(fēng)能資源約在1 到4.9 億千瓦之間，應(yīng)用前景廣闊。
　　
　　海上風(fēng)電機(jī)組除風(fēng)作用之外，還受到波浪、海流、水位、海冰、海生物等海洋環(huán)境因素的綜合影響。一般來說，風(fēng)速越大，波高、周期和波速隨之增大，水位則會(huì)使波高受到深度限制，進(jìn)而影響波浪載荷；海流也僅隨著水深而變化。由此可見，水深作為海上風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)志和先決條件，對(duì)其的研究顯得尤為緊迫和重要。近幾年，我國(guó)擬開工的近海風(fēng)電項(xiàng)目主要集中在河北、江蘇、山東、浙江等省份，渤海、黃海以及東海海域，平均水深在5—30m 之間。因此，探索不同水深對(duì)機(jī)組載荷的變化影響規(guī)律，不僅對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和研發(fā)具有積極意義，也可為今后更深海域的風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)提供借鑒[1]。
　　
　　1 海洋條件 　　1.1 波浪
　　
　　海浪包括風(fēng)浪、涌浪和近岸浪。從我國(guó)海區(qū)來看，渤海風(fēng)浪浪高最小，黃海的比渤海略大，東海的大于黃海，南海風(fēng)浪最大。就季節(jié)而言，秋季風(fēng)浪波高最大，其次是冬季，夏季的居第三，春季的最小。風(fēng)浪的周期與波高是匹配的，兩者呈正比關(guān)系。涌浪季節(jié)變化和海區(qū)特點(diǎn)和風(fēng)浪分布趨勢(shì)相同，總體上講，涌浪波高和周期，比風(fēng)浪的要大，但在沿岸海域和封閉性較強(qiáng)的海域，這種差異較小[1]。
　　
　　設(shè)計(jì)海況一般用波譜Sη、有義波高HS、譜峰周期TP和平均波向θwm來描述，海浪譜通常采用單一方向傳播的長(zhǎng)峰波譜，主要包括Pierson-Moskowitz（簡(jiǎn)稱P-M 譜），Bretschneider 雙參數(shù)譜，Jonswap 譜[2]；海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，根據(jù)平均風(fēng)速（V）、有義波高（HS）、譜峰周期（TP）的長(zhǎng)期聯(lián)合概率分布來考慮風(fēng)況和波浪的相互關(guān)系。上述參數(shù)的聯(lián)合概率分布受到安裝場(chǎng)地條件（如風(fēng)區(qū)、水深、海底地形等）的影響。 　　μ10表示海平面以上10 米年平均風(fēng)速。
　　
　　1.2 海流
　　
　　理論上海流在空間和時(shí)間上不斷變化，但一般認(rèn)為海流是定常速度和方向的水平均勻流場(chǎng)，僅隨著深度而變化。海流速度應(yīng)考慮下列成分[2]：
　　
　　潮汐、風(fēng)暴潮和大氣壓力變化等引起的次表層流；
　　
　　風(fēng)生近表層流；
　　
　　近岸波浪生成的與海岸平行的表層流。
　　
　　1.2.1 次表層流
　　
　　次表層流分布可用水深d 的下列公式表示： 　　式中：流速USS （z）———為靜水位以上高度z 的函數(shù)，m/s；d———水深，m。
　　
　　重現(xiàn)期為1 年和50 年的海表層流速USS （0）的值，可通過對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組場(chǎng)地的適當(dāng)測(cè)量分析來確定。通常可假設(shè)次表層流與波向一致。
　　
　　1.2.2 風(fēng)生近表層流
　　
　　風(fēng)生流可用速度UW（z）的線性分布來表示，該速度從海表層的UW（0）減少到靜水位以下20m 深處的計(jì)算公式為： 　　式中：z———到靜水位的距離，m。在靜水位之下取負(fù)值。
　　
　　在水深少于20m 的場(chǎng)地，海底的風(fēng)生流速為非零。
　　
　　1.2.3 海表層風(fēng)生流
　　
　　海表層風(fēng)生流速度可假定與風(fēng)向一致，并可按下式估算： 　　式中：V1-hour （z=10m）———在靜水位以上10m 高度處風(fēng)速的1h 平均值，m/s。 　　另外，海冰、海生物對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷，在進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。
　　
　　2 仿真模型建立
　　
　　綜合考慮5MW 樣機(jī)如東現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)、波浪、海流等實(shí)際數(shù)據(jù)，采用多體支撐結(jié)構(gòu)，將上部風(fēng)電機(jī)組模型和下部支撐結(jié)構(gòu)模型整合到一起進(jìn)行仿真分析。根據(jù)施工地質(zhì)條件繪制土壤剛度P-Y 曲線[3]，建立整體模型如下圖： 　　3 典型工況選擇
　　
　　根據(jù)GL2012 海上風(fēng)電規(guī)范[5]，在GH-blade 中按照公式（2）、（3）計(jì)算，有義波高（HS）5.6m，譜峰周期（TP）10.6s。將生成的空氣動(dòng)力載荷
　　
　　和波浪載荷加載到整機(jī)模型，進(jìn)行仿真分析。考慮到風(fēng)速、水深與波浪等之間的關(guān)系，這里風(fēng)速取切出風(fēng)速25m/s。對(duì)于疲勞分析，風(fēng)速生成采用NTM 正常湍流模型，極限則采用ETM 極端湍流模型，水深在0-30m 之間，每間隔5m 進(jìn)行仿真。
　　
　　4 仿真數(shù)據(jù)對(duì)比及結(jié)果分析
　　
　　經(jīng)過計(jì)算，以海平面水深高度的載荷值作為參考，得到0-30m 水深范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組各零部件主導(dǎo)方向疲勞、極限載荷比值變化關(guān)系見圖4、圖5。可以看出，除塔基載荷隨水深增加而顯著增加外，塔架頂部各零部件疲勞載荷變化不明顯，均在2%左右。就極限載荷而言，10m水深處塔架頂部各零部件的載荷增幅在5%左右，隨后增幅逐漸減小，30m 水深時(shí)增幅基本接近零。塔基載荷總體趨勢(shì)隨水深增加而增加。 　　一般情況下，海浪的生成，取決于風(fēng)力強(qiáng)弱、風(fēng)區(qū)大小和風(fēng)時(shí)長(zhǎng)短。浪高受到水位的限制，即在特定風(fēng)速下，所能產(chǎn)生的浪高要比水深小一些。當(dāng)水位超過一定程度時(shí)，浪高僅與風(fēng)速相關(guān)，海流速度也隨著水深的增加逐漸減小[4]。 　　可以看出，隨著水深的增加，塔筒的頻率有所降低，是造成塔筒變形和受力增大的主要原因，因此在進(jìn)行塔架和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體情況調(diào)整剛度。
　　
　　5 結(jié)論
　　
　　以5MW 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，應(yīng)用專業(yè)計(jì)算軟件GHblade，考慮風(fēng)、海浪、海流等環(huán)境條件，建立了近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能仿真模型，得到以下結(jié)論：
　　
　　1）不同水深條件下，風(fēng)、浪和海流的相互耦合作用，整機(jī)載荷變化在2%左右，在設(shè)計(jì)余量范圍內(nèi)，機(jī)組零部件安全可以保證。塔基載荷變化基本都超過5%，需要根據(jù)安裝地條件，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
　　
　　2）隨著水深的變化，波浪、海流在深度上的影響按一定規(guī)律衰減。
　　
　　3）水深10m 時(shí)，對(duì)整機(jī)零部件的極限、疲勞載荷影響最大，在5%范圍內(nèi)。