海上风车可以像火柴一样破碎

导读 中型波浪可以像海水一样打破海上风力涡轮机。这些波浪甚至发生在小风暴中,这在挪威海很常见。 挪威奥斯陆大学数学系的John Grue教授说:

中型波浪可以像海水一样打破海上风力涡轮机。这些波浪甚至发生在小风暴中,这在挪威海很常见。

挪威奥斯陆大学数学系的John Grue教授说:“问题在于,我们仍然不确切知道风力发电机何时会破裂。” Grue是世界上最重要的波浪研究专家之一。1989年,他发现了一种无法解释的波浪现象,称为振铃,这是一种特殊类型的振动,当波涛汹涌的海浪袭击海上设施时会发生这种振动。这项发现是在位于Blindern Campus数学大楼地下室的一个25米长的波浪实验室进行的。

到目前为止,科学家已经研究了小波和大波的振铃,但事实证明,振铃在中等波浪中更为常见。

对于海上直径为8米的风力涡轮机,最差的波浪高度超过13米,并且它们之间的间隔为11秒。

金融废墟

未来几年,振铃问题可能会显着增加。有计划在海上建造数以万计的风力涡轮机。

“如果我们不考虑响应,海上风力涡轮机公园可能导致金融危机,”John Grue警告奥斯陆大学的研究杂志Apollon。

如今,海上最大的风车公园位于丹麦和英国的海岸之外。然而,与Statkraft和Statoil在苏格兰境外的Dogger Bank的巨大计划相比,它们仍然像小型微缩模型。这个风车公园将生产60到90个阿尔塔发电厂的电力。位于西挪威的MøreogRomsdal外将建有一座可容纳两座阿尔塔发电厂的风车公园。

“到目前为止,还无法测量振铃所施加的力。实验室测量表明,风力发电机中的最大振动发生在波浪过去之后,而不是在波浪撞击涡轮机时。波浪顶部之后如果第二个力与风力涡轮机的结构频率共振,则振动很强。这意味着风力涡轮机首先暴露于一个力,然后被另一个力摇动。当重复特定类型的波浪时,这会导致磨损特别明显,这会增加疲劳的危险。“

正是这种次要力量产生了振铃,而数学家到现在还没有设法计算出来。

不幸的振动

无论是风力涡轮机,桥梁,石油钻井平台还是船舶,所有结构都有自己的振动频率。

当振动与结构频率匹配时,事情变得艰难。这种现象称为共振,可以与桥上士兵的稳定行进进行比较。如果士兵随着桥梁的结构频率及时行进,它就会崩溃。

不切实际的计算

挪威科技大学和麻省理工学院(MIT)已经对振铃进行了大量计算。Ecole Centrale Marseille和法国Bureau Veritas也做了这样的计算。Det Norske Veritas是使用这些模型版本的人之一。

“目前的模型是我们所拥有的最好的模型,但估计过于粗糙和错误。这些理论远远超出了它们的有效范围。这意味着我们无法充分计算疲劳。”

振铃与湍流无关。振铃是系统性的,并且在气缸后部具有高的负压。

困难的数学

在国际上,对这一现象的处理很少。约翰格鲁现在有两名博士研究员计算这些运动。他还与丹麦Risø实验室和丹麦技术大学的风力发电研究界合作。

“振铃非常难以计算。存在很大的不确定性。我们想要更精确地描述振铃的物理特性。我们现在正在尝试复杂的表面高程模型和复杂的计算来准确地再现这些测量。我们想要表明振铃力的产生系统地根据一般数学公式。“

佐贺石油公司此前曾对波浪中的振铃力进行了广泛的测量。

“这些非常适合我们的测量,”格鲁说。

深水和浅水之间的差异

科学家还必须考虑这些装置是在深水还是浅水中。

“结构频率还取决于海床的条件。

你可以将它与风暴中的旗杆进行比较。根据杆是固定在混凝土中还是在较软的地面上,旗杆的振动会有所不同。“

“目前还没有关于振动与海床条件之间关系的研究。”

石油钻井平台损坏

振铃不仅会伤害风力涡轮机。振铃已经成为石油工业的一个大问题。YME平台的设计者没有考虑到这一点,并且损失了120亿挪威克朗。

“有可能通过加强石油钻井平台来摆脱振铃问题。然而,对风力涡轮机做同样的事情并不具有经济效益,”John Grue说。

改进模型

Det Norske Veritas流体动力学首席专家ArneNestegård向Apollon证实,如果海浪极端,中等深度的风力涡轮机可能会受到高频共振,但他们可以防止这种情况发生。Nestegård说,在过去的二十年里,Veritas开发了振铃模型,他们现在致力于改进海上风力涡轮机的模型。

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