海洋状况对海上风力发电机组设计的影响及分类

海上风力发电机组支撑结构的设计基于环境状况，包括风力发电场地的海洋状况。海上风力发电机组应设计成能安全承受对应的海洋状况。海洋状况包括波浪、海流、水平面、海冰、海生物、海浪冲刷和海床运动。

设计者要考虑海洋状况对风力机和机舱组合的影响。大多数情况下，风力机和机舱组合并不是针对指定的场地设计，而是针对一定的范围。

从载荷和安全方面考虑，海洋状况可分为正常海洋状况和极端海洋状况，正常海洋状况是指在海上风力发电机组正常运行期间频繁出现的海洋状况，而极端海洋状况是指一年一遇或50年一遇的海洋状况。

1.波浪

波浪没有规则的形状，在传播时高度、长度和速度不时地发生变化，并且可能同时从不同方向靠近海上风力发电机组。通过一个随机的波浪模型能很好地描述波浪的特点。该模型由许多独立的不同频率的部分组成，每一周期的波浪有不同的振幅、频率和方向，各部分的相位关系也是随机的。具体的波浪模型请参考IEC 61400-3-2009附录B。

考虑到风和波浪的不确定性，一定要确保方向数据和风力发电机组技术的可靠性。根据规则波浪和随机海洋状况，IEC 61400-3-2009把波浪模型分为以下八种。

1）正常海洋状态（NSS）；

2）正常波浪高度（NWH）；

3）剧烈海洋状态（SSS）；

4）剧烈波浪高度（SWH）；

5）极端海洋状态（ESS）；

6）极端波浪高度（EWH）；

7）减少的波浪高度（RWH）；

8）破碎波（Breaking waves）。

2.海流

尽管海流大体上随空间和时间变化，但一般把它看作速度和方向恒定，只有深度变化的水平的流场。要考虑海流速度的下列分量：

——由潮汐、暴风雨和大气压力变化引起的水下海流；

——风产生的接近表面的海流；

——近岸的，波浪引起的平行于海岸的海浪流动。(www.xing528.com)

海流的速度是这些分量的和。波浪引起的水粒子速度和流动速度将加快海流速度。波浪长度和周期对海流速度的影响忽略不计。

和波浪引起的水压相比，海流对海上风力发电机组水力疲劳负载的影响可能由于速度低而微不足道，设计者将决定是否忽略海流对特定场地的疲劳载荷计算的影响。

IEC 61400-3-2009中，海流模型分为以下几种。

1）水下海流；

2）风产生的接近表面的海流；

3）破碎波引起的海流；

4）正常海流模型（NCM）；

5）极端海流模型（ECM）。

3.水平面

为了计算海上风力发电机组所受的水力载荷，应该考虑水平面的变化。各种水平面的定义如图3-11所示。

4.海冰

有些地点的风力发电机组受海冰的载荷很严重。海冰载荷可以是坚固的冰层的静态载荷，也可以是风和海流引起的浮冰的动态载荷。长时间的浮冰冲击将对支撑结构产生疲劳载荷。海冰载荷的计算可参考IEC 61400-3-2009附录E。

5.海洋生物

海洋生物影响海上风力发电机组支撑结构的质量、表面形状和表面纹理，从而影响它的水力负载、动态响应和腐蚀性。

6.海床运动和海浪冲刷

设计海上风力发电机组的支撑结构时，要考虑海床运动和海浪冲刷。根据ISO 19901-4，分析海床运动和海浪冲刷，并采取适当的保护。

图3-11 各种水平面的定义