風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)抗風(fēng)動力可靠度分析

摘要：在這能源匱乏的時代，風(fēng)能作為可再生資源為世界各國尋找能源替代品探明了方向。雖然我國為風(fēng)能使用大國，但在風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)中缺乏自主創(chuàng)新，所以需在分析風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)抗風(fēng)動力可靠性的基礎(chǔ)上，建設(shè)具有中國特色的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；高塔系統(tǒng)；抗風(fēng)動力；可靠度

受化石能源資源日趨枯竭、能源供應(yīng)安全和保護環(huán)境等的驅(qū)動，自20世紀70年代中期以來，世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家都重視風(fēng)能的開發(fā)利用。特別是自20世紀90年代初以來，現(xiàn)代風(fēng)能最主要的利用形式——風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展十分迅速，與其他可再生能源相比，風(fēng)力發(fā)電在經(jīng)濟上更具有競爭優(yōu)勢，因而發(fā)展迅速。利用風(fēng)力發(fā)電，以節(jié)約能源，改善環(huán)境，緩解電力供應(yīng)緊張狀況，具有重要的現(xiàn)實意義。

然而， 我國作為世界上的風(fēng)能大國，尚不具備獨立開發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的能力。因此，建立正確評估風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力可靠度的分析方法，并基于結(jié)構(gòu)整體可靠度，為風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐很有必要。

概率密度函數(shù)由陳建兵、李杰研究的廣義概率密度演化方程得到，在極值分布理論的基礎(chǔ)上，得到分析動力可靠度的辦法，且論證等價極值事件后，得到結(jié)構(gòu)體系可靠度。本文將此辦法運用于1.25MW的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的抗風(fēng)動力可靠度研究中，對風(fēng)力發(fā)電鋼塔與鋼筋混凝土高塔的抗風(fēng)動力可靠度進行了分析和比較。

1.分析風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)抗風(fēng)動力可靠度

1.1結(jié)構(gòu)模型

1.2抗風(fēng)動力可靠度分析

根據(jù)廣義的概率密度演化方程，設(shè)計目標著眼穩(wěn)定性、塔體強度、正常使用性能，在極值分步法基礎(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的抗風(fēng)動力可靠性進行分析的步驟如下：

1.風(fēng)力發(fā)電鋼塔。使用性能分析是正常運行風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的前提，比如槳葉不可接觸塔體，具體指標是槳葉位置最低時塔體、葉尖的距離。可以塔頂位移替代塔體與葉尖距離做分析。以隨機動力響應(yīng)分析為指導(dǎo)，得到真實的塔頂位移極值常規(guī)分布，比如標準正態(tài)、正態(tài)、瑞利分布比較（如圖1所示），并在MCM、PDEM基礎(chǔ)上得到可靠度動力比較。分析發(fā)現(xiàn)分布結(jié)果存在差異，瑞利分布所得結(jié)果失真，而對數(shù)正態(tài)、正態(tài)分布的精度也差。但比較Monte Carlo法，本法在高界限、低階限都具有良好的精度。可靠度分析方法在跨越過程動力基礎(chǔ)上精度并不高，寬帶也對Markov假定做了限制，二者效率差別大。Monte Carlo法耗時上千小時，而本法僅27.5h。表1為結(jié)構(gòu)動力可靠度，分析發(fā)現(xiàn)，閥值增加，可靠度降低。本文機構(gòu)模型的塔頂位移閥值是1.5m，其可靠度為0.9969。塔體與槳葉碰撞相對極端造成了動力可靠度值較大。在塔體、槳葉碰撞前，該系統(tǒng)已不能運行。目前沒有合適的性能指標解釋過大結(jié)構(gòu)變形造成的停機事件，所以，一直沿用該指標。根據(jù)模態(tài)分析，柔-柔結(jié)構(gòu)為1.25MW的風(fēng)力發(fā)電鋼塔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，柔-柔結(jié)構(gòu)成本低，但性能較差。因柔度大而受力易變形，導(dǎo)致的碰撞發(fā)生。

圖1 風(fēng)力發(fā)電鋼塔塔頂位移極值表1 不同閾值下（鋼塔）抗風(fēng)動力可靠度

2.鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電高塔。該結(jié)構(gòu)高塔以鋼筋拉強度、混凝土抗壓強度來確定強度，以基地彎矩表示極限承載力，除塔體與槳葉分離要求外，對混凝土裂縫也有要求。本文在塔頂位移基礎(chǔ)上做隨機動力響應(yīng)分析。圖2所示為真實塔頂位移極值、標準差及相同均值的分布比較，進而獲得基于廣義概率密度演化方法與Monte Carlo法的可靠度比較。結(jié)構(gòu)抗風(fēng)動力可靠度與塔頂位移閥值的關(guān)系如表2所示。分析發(fā)現(xiàn)，閥值增加帶動可靠度增加，0.6m為鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電的高塔塔頂位移的閥值，1.0000為動力可靠度。和風(fēng)力發(fā)電鋼塔相比，該高塔可靠度更高，這要歸結(jié)于剛度的增強。

圖2 鋼筋混凝土高塔塔頂位移極值表2 不同閾值條件下抗風(fēng)動力可靠度

如表3所示為鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電高塔與風(fēng)力發(fā)電鋼塔的抗風(fēng)力可靠度比較數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電鋼塔可靠度較高，抗風(fēng)動力可靠度的強度系數(shù)高于穩(wěn)定性系數(shù)，實際破壞中失穩(wěn)破壞較為多發(fā)，因此，風(fēng)力發(fā)電鋼塔常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，而鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電高塔的基地彎矩、強度、塔頂位移等方面可靠度較高，但受裂縫寬度限制，可以鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)搭建高塔，克服裂縫影響。在設(shè)計指標相同前提下，風(fēng)力發(fā)電鋼塔的抗風(fēng)動力可靠度小于鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電高塔。

表3 風(fēng)力發(fā)電鋼塔和鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電高塔抗風(fēng)動力可靠度

3.結(jié)語

（1）風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的抗風(fēng)動力可靠度研究分析中引入廣義的概率密度演化理論是可行的。

（2）與相同設(shè)計指標的風(fēng)力發(fā)電鋼塔相比，鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電高塔的抗風(fēng)動力可靠度更高。

風(fēng)力發(fā)電具有無環(huán)境污染、能源再生的特點，應(yīng)該自主創(chuàng)新，開拓進取，在抗風(fēng)動力可靠度研究上下功夫。

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