工程熱物理所漂浮式風力機研究取得進展

　　風能是一種清潔的可再生能源，風力發電是目前可再生能源中技術最成熟、發展速度最快的一種發電形式。全球風電裝機容量已經連續十余年保持兩位數以上的高速增長，而海上風電在風能利用中所占的比例正快速增加。近年來，隨著海上風電利用不斷向深海地區發展，漂浮式風力機逐漸受到了企業和研究人員的關注。

　　在海上風和波浪的綜合作用下，漂浮式風力機的振蕩運動十分顯著。機組的振蕩運動會對漂浮式風力機的安全運行和氣動特性產生重要影響。同時，因為浮臺和系泊系統受到了水動力學載荷與系統的結構動力學載荷，以及風輪的氣動載荷相耦合，從而為漂浮式風力機的準確模擬和評估帶來了極大的困難。2002年以來，Bulder、Lee、Wayman、Vijfhuizen、Henderson、Withee、Fulton、Nielsen等研究人員對漂浮式風力機的一些初步設計進行了可行性分析。2006年，美國可再生能源實驗室(NREL)的Jonkman等人建立了漂浮式風力機“氣動-水動-控制-結構”完全耦合模型，并設計了三種漂浮式平臺。

三種漂浮式風力機示意圖

　　為了獲得漂浮式風力機的動態響應特性和氣動特性，中科院工程熱物理研究所風電葉片研發團隊對多種典型的漂浮式風力機在一系列風和波浪條件下的動態響應進行了計算，分析并總結了漂浮式風力機的運動規律以及葉片攻角的變化規律。

　　研究發現，縱蕩運動是最主要的運動形式，而且縱蕩平均值主要受風速影響，縱蕩振幅主要受浪高影響。根據漂浮式風力機葉片攻角的變化規律，對厚翼型的二維動態失速特性進行了數值模擬研究。研究發現，厚翼型的升力系數基本沒有動態失速效應，而阻力系數和俯仰力矩系數的動態失速效應很強。振蕩運動不僅引起風輪氣動特性的變化，還會使風力機與尾跡之間發生相互作用，從而改變風力機的尾跡特性。為了研究振蕩條件下漂浮式風力機的尾跡特性，研究團隊對目前風力機尾跡研究中廣泛采用的致動線方法進行了改進，建立了二維制動線模型，計算結果表明新建立的模型具有更高的準確性，并能減少大約10%的計算時間。

　　根據漂浮式風力機的動態響應特性，研究團隊設計了在風洞中模擬漂浮式風力機振蕩運動的擺動實驗臺，并對模型風力機進行了一系列定常和非定常實驗研究，實驗得到了擺動條件下風力機的功率和載荷波動特性。

風洞實驗裝置圖及風力機功率波動曲線

　　以上研究工作得到了國家自然科學基金面上項目“漂浮式風電機組三維流動及動態失速特性研究”(No. 50976117)的支持，相關研究成果已發表在《工程熱物理學報》(2013, 34(7): 1256-1261)。