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風(fēng)力渦輪機塔架的最優(yōu)設(shè)計

抽象概念
本文介紹一種典型的風(fēng)力發(fā)電機組塔架結(jié)構(gòu)的幾種優(yōu)化設(shè)計模型。橫截面積，回轉(zhuǎn)半徑和高度被公認(rèn)為主塔體的有效設(shè)計變量，大量發(fā)動機短艙/轉(zhuǎn)子組合體被看作是剛性地固定于塔頂。五種優(yōu)化策略被制定并測試，最后一個關(guān)于減少單獨或組合塔/轉(zhuǎn)子因自然系統(tǒng)頻率的直接最大化導(dǎo)致的水平振動取得很好的結(jié)果。大量的計算機模擬實驗表明，對于理想的離散模型和為系統(tǒng)頻率的確切位置而定義的一種新的數(shù)學(xué)概念是可以實現(xiàn)全局最優(yōu)的。那種標(biāo)準(zhǔn)模式下的方法用于獲取因不同類型的激勵而導(dǎo)致的受迫響應(yīng)。優(yōu)化問題被看作數(shù)學(xué)線性規(guī)劃問題采用內(nèi)部罰函數(shù)的方法解決。最終，該模型被用與100KW級水平軸風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)。與參考或基線設(shè)計比較，總體系統(tǒng)性能方面的最佳解決方案已取得了顯著改善。愛思唯爾科技有限公司保留所有權(quán)。

1.引言
自1973年石油危以來機許多風(fēng)能研究和開發(fā)項目已經(jīng)啟動了，并且，許多國家就已經(jīng)安裝了不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機組。這些清潔能源對未來的能源需求在實質(zhì)上和經(jīng)濟競爭力上可以做出重大貢獻。關(guān)于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，多數(shù)出版物都把研究工作集中在電力輸出經(jīng)濟學(xué)和成本優(yōu)化兩方面。而處理結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化問題卻幾乎沒有，此研究的主要意圖是考慮風(fēng)力渦輪機的組合塔架/轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本方面。關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的各種理論和數(shù)值分析的調(diào)查可以找到參考， 這些參考通常被分為兩組：數(shù)學(xué)規(guī)劃法和最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)法。后者由考慮到圓管狀截面結(jié)構(gòu)的混凝土塔架的優(yōu)化的塔克瓦克率先提出。作為一種近似的概念適用于在指定基本自然頻率且最小總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的情況下尋求最優(yōu)抗彎剛度分布。后來，塔克瓦克解決了同樣的問題并考慮到塔基的靈活性的影響。他用有限元法和分段線性函數(shù)來近似得到沿高度方向的剛度分布。
在本文中，一些針對風(fēng)力發(fā)電機組塔架設(shè)計的優(yōu)化策略經(jīng)過開發(fā)和測試，以及用不同形式的目標(biāo)函數(shù)進行檢查。塔用以統(tǒng)一的模塊形式建造，這些模塊以橫截面積，回轉(zhuǎn)半徑和高度的每一部分作為有效的設(shè)計變量。塔架的動態(tài)分析包括運