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风能因其无污染且可再生的特性,成为目前最有发展前景的可再生能源之一,开发潜力很大,逐渐受到世界各国的重视。海上风力发电因为其风速较大、风速稳定、不占用土地资源以及易于向大型化发展等性质,已成为未来风电发展的必然趋势。综合考虑多方面因素,漂浮式风力机更适于深海风力发电场。因此,海上漂浮式风力机波浪和风载耦合作用及其动力响应的研究具有非常重要的理论意义和实用价值。 本文简要介绍了国内外海上风电的发展状况,详细概括了四类浮式基础的结构及特性,总结了漂浮式风力机的研究进展。探讨了在海洋环境中作业的浮式结构物所受的主要载荷,风、海流和波浪的基本理论,以及载荷的计算方法,系统的论述了浮式结构物动力响应分析的基本理论。 应用FAST,建立了5MW三叶片水平轴风力机的三维模型,然后依据Spar海洋平台,设计了浮式基础结构,应用MOSES构建模型。针对漂浮式风力机进行了水动力分析以及幅频响应分析,计算得到幅频响应曲线,探讨浮式风电系统的运动特性。考虑风力机模型与浮式基础、系泊系统之间的耦合,结合FAST,对漂浮式风力机进行在风载、波浪及海流联合作用下的动态响应分析。 结果表明:当海洋环境发生变化时,即波高、风速、海流均增大时,横荡、纵荡、横摇、纵摇、首摇的波动幅度均增大;且在第二种海洋环境(波高4m,风速20m/s,海流速度0.3m/s)下系缆张力超出了系缆的最大承载范围,属于危险海况,应避免运行。因此,该漂浮式风力机的设计是合理的,且本文对浮式系统的研究方法有一定的参考价值。