【摘要】根據海上風電機組安裝地點的環境條件，利用GH-blade 軟件建立了海上風電機組模型，仿真計算并且分析了不同水深對整機極限、疲勞載荷的影響，為進一步開發和利用近海乃至深海風能資源提供必要的理論參考。
　　
　　【關鍵詞】水深；風-波浪；海上風機；載荷
　　
　　0 目的意義
　　
　　海上風電場原則上應建立在離岸距離不少于10 公里、灘涂寬度超過10 公里時海域水深不得少于10 米的近海海域。我國近海風能資源十分豐富，10—30m 水深的風能資源約在1 到4.9 億千瓦之間，應用前景廣闊。
　　
　　海上風電機組除風作用之外，還受到波浪、海流、水位、海冰、海生物等海洋環境因素的綜合影響。一般來說，風速越大，波高、周期和波速隨之增大，水位則會使波高受到深度限制，進而影響波浪載荷；海流也僅隨著水深而變化。由此可見，水深作為海上風電機組的標志和先決條件，對其的研究顯得尤為緊迫和重要。近幾年，我國擬開工的近海風電項目主要集中在河北、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，探索不同水深對機組載荷的變化影響規律，不僅對海上風電機組設計和研發具有積極意義，也可為今后更深海域的風電場開發提供借鑒[1]。
　　
　　1 海洋條件 　　1.1 波浪
　　
　　海浪包括風浪、涌浪和近岸浪。從我國海區來看，渤海風浪浪高最小，黃海的比渤海略大，東海的大于黃海，南海風浪最大。就季節而言，秋季風浪波高最大，其次是冬季，夏季的居第三，春季的最小。風浪的周期與波高是匹配的，兩者呈正比關系。涌浪季節變化和海區特點和風浪分布趨勢相同，總體上講，涌浪波高和周期，比風浪的要大，但在沿岸海域和封閉性較強的海域，這種差異較小[1]。
　　
　　設計海況一般用波譜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峰波譜，主要包括Pierson-Moskowitz（簡稱P-M 譜），Bretschneider 雙參數譜，Jonswap 譜[2]；海上風力發電機組設計中，根據平均風速（V）、有義波高（HS）、譜峰周期（TP）的長期聯合概率分布來考慮風況和波浪的相互關系。上述參數的聯合概率分布受到安裝場地條件（如風區、水深、海底地形等）的影響。 　　μ10表示海平面以上10 米年平均風速。
　　
　　1.2 海流
　　
　　理論上海流在空間和時間上不斷變化，但一般認為海流是定常速度和方向的水平均勻流場，僅隨著深度而變化。海流速度應考慮下列成分[2]：
　　
　　潮汐、風暴潮和大氣壓力變化等引起的次表層流；
　　
　　風生近表層流；
　　
　　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，m/s；d———水深，m。
　　
　　重現期為1 年和50 年的海表層流速USS （0）的值，可通過對海上風力發電機組場地的適當測量分析來確定。通常可假設次表層流與波向一致。
　　
　　1.2.2 風生近表層流
　　
　　風生流可用速度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 深處的計算公式為： 　　式中：z———到靜水位的距離，m。在靜水位之下取負值。
　　
　　在水深少于20m 的場地，海底的風生流速為非零。
　　
　　1.2.3 海表層風生流
　　
　　海表層風生流速度可假定與風向一致，并可按下式估算： 　　式中：V1-hour （z=10m）———在靜水位以上10m 高度處風速的1h 平均值，m/s。 　　另外，海冰、海生物對海上風力發電機組的支撐結構產生的載荷，在進行支撐結構詳細設計時予以考慮。
　　
　　2 仿真模型建立
　　
　　綜合考慮5MW 樣機如東現場的風、波浪、海流等實際數據，采用多體支撐結構，將上部風電機組模型和下部支撐結構模型整合到一起進行仿真分析。根據施工地質條件繪制土壤剛度P-Y 曲線[3]，建立整體模型如下圖： 　　3 典型工況選擇
　　
　　根據GL2012 海上風電規范[5]，在GH-blade 中按照公式（2）、（3）計算，有義波高（HS）5.6m，譜峰周期（TP）10.6s。將生成的空氣動力載荷
　　
　　和波浪載荷加載到整機模型，進行仿真分析。考慮到風速、水深與波浪等之間的關系，這里風速取切出風速25m/s。對于疲勞分析，風速生成采用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 進行仿真。
　　
　　4 仿真數據對比及結果分析
　　
　　經過計算，以海平面水深高度的載荷值作為參考，得到0-30m 水深范圍內風電機組各零部件主導方向疲勞、極限載荷比值變化關系見圖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 水深時增幅基本接近零。塔基載荷總體趨勢隨水深增加而增加。 　　一般情況下，海浪的生成，取決于風力強弱、風區大小和風時長短。浪高受到水位的限制，即在特定風速下，所能產生的浪高要比水深小一些。當水位超過一定程度時，浪高僅與風速相關，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，因此在進行塔架和基礎設計時，需要根據具體情況調整剛度。
　　
　　5 結論
　　
　　以5MW 海上風力發電機組為研究對象，應用專業計算軟件GHblade，考慮風、海浪、海流等環境條件，建立了近海風力發電機組性能仿真模型，得到以下結論：
　　
　　1）不同水深條件下，風、浪和海流的相互耦合作用，整機載荷變化在2%左右，在設計余量范圍內，機組零部件安全可以保證。塔基載荷變化基本都超過5%，需要根據安裝地條件，進行重新設計。
　　
　　2）隨著水深的變化，波浪、海流在深度上的影響按一定規律衰減。
　　
　　3）水深10m 時，對整機零部件的極限、疲勞載荷影響最大，在5%范圍內。