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还能刮来宝贵的可再生能源，
刮来宝贵的清洁能源。
樊天慧 · 华南理工大学船舶与海洋工程系副主任
格致论道·湾区第17期 | 2022年5月28日 广州
大家好，我是樊天慧，来自华南理工大学。很荣幸来到格致论道讲坛，和大家分享我的科研故事：《海上风电，大风刮来的清洁能源》。我的家在东北，在我们那儿有句俗语叫做：没有人的钱是大风刮来的。小时候的我非常笃信这句话，觉得这句话简直是真理，没有任何问题。直到长大后，我进入了海上风电这个行业，才发现有的时候需要突破认知：大风不仅能刮来钱，还能刮来宝贵的清洁能源。今天我就在这儿跟大家分享一下，我和海上风电的缘分故事。2005年，我进入大连理工大学工程力学系开始本科学习。工程力学是很多工程的基础，因此我的同学后来有的进入了土木建筑行业，有的从事航空航天行业，当然也有的从事海洋工程行业。2008年，我保送至欧进萍院士团队，开始从事深远海油气平台研发的工作。对于大部分人来讲，可能海岸就是陆地的尽头，但是对于我们海洋工程人来讲，海岸仅仅是世界的开始。2009年，我第一次来到海南，第一次看到了南海。在这次旅途中，我不仅看到了海洋油气平台，也看到了很多伫立在山间的大风车。海边的大风和这些大风车引起了我的兴趣，让我对风电这个行业产生了浓厚的好奇。经过调研，我发现当时陆上风电的发展非常迅速，海上风电也已经正式提上议事日程，但是真正的海上风电还尚未成功建设。通过比较陆上风电和海上风电，我们认为相对于陆上风电，海上风电还有一些天然的优势。比如海上的风更大，大家都有这个直观的印象；而且海面是比较平坦的，风的质量更好。受到建筑、地形、山峦的影响，陆地上的风会变小，且风的质量会变差，更不容易用来发电。而且大家都知道，陆地的资源是非常稀缺且宝贵的，但是海上的面积相对陆上来讲，就没有那么的稀缺，它的面积还是非常广阔的。由于上述几种原因，陆上风电大部分集中在西北、中部地区，离我们东南沿海这些用电大省、消纳中心非常远。如果想要将中西部的电运送到东南沿海，需要通过长距离的运送和传输，会产生很大的电量消耗。因此当时我就判断，风电产业未来必将走进海洋。回到学校，生活还要继续，科研还得努力，因此海上风电这个事儿已经被我抛至脑后。直到2014年，我结婚到海南度蜜月，旧地重游，才又一次想起了海上风电，在心里早已埋下的种子开始生根发芽。这一次的旅程中，我发现陆上的大风车变得越来越多了，而海上也有了大风车。这让我感到非常惊喜和惊奇。我又专门去找了相关资料，发现在2010年，东海大桥风电项目正式投产运营，实现了中国近海固定式风电项目的零的突破。而在全世界的范围中，欧洲已经率先建成了全球第一个漂浮式风力发电的示范样机。当时我的心情很激动，也很感慨。激动的是，我原来想着风电一定要走向海洋，它已经实现了。感慨的是，我当时所从事的行业是深远海油气工程。油气工程的发展是由陆上到海洋，由近海到深海；而海上风电发展的历程与其有着惊人的相似，都是从陆上到海洋，从近海到深海。近海的大陆架地区，它的资源是有限的；而从理论上讲，深远海地区的资源是近乎无限的，它的前景非常广阔。同时，深远海地区的风更大、质量更好，我们可以利用更大容量的风力机进行发电。另外，深远海没有近海视觉遮蔽的问题，而且对噪音的限制也更小。比较近海的风电与深远海的风电，显然深远海地区未来风电的发展潜力更大，未来中国的海上风电一定会走向深海远洋。那么，走向深远海之后，我们还能不能利用原来固定式的这种方式来开发风能资源呢？答案是否定的。通过上图大家可以看到：随着水深的增加，固定式（左侧两种）的建设成本会突然升高，上升得非常快，呈指数性增长（红色和蓝色曲线）。而漂浮式的装备类型（右侧三种）就不会出现这个问题：它对水深并不敏感，随着深度的增加，成本的升高是一个缓慢的、线性的变化过程（绿色曲线）。因此我们认为，在水深超过50米之后，漂浮式一定是开发风能资源的主要形式，这也是为什么漂浮式风电一定会崛起的原因，我们认为它是中国海上风电走向深远海的必由之路。2016年，我博士毕业，当时我心中海上风电的种子已经开始开花结果。我下定决心，一定要投入到海上风电这个行业中来。于是，我毅然决然南下，来到广州，来到华南理工大学，来到这个南海旁边的城市，把所有的科研精力、科研基础和科研方向全部都转移到海上漂浮式风电这个方向上来。
经过2016年、2017年的努力，在2018年，我们获批了一个非常重要的项目——海上浮式风电平台全耦合动态分析及其装置研发。这个项目的核心任务和目标就是要研发中国第一台漂浮式海上风力发电系统装备并进行应用示范。任务和目标已经确定了，我们接下来要撸起袖子加油干。要做好漂浮式的开发，一定要明确固定式和漂浮式之间有什么本质的区别。固定式就像一只两脚站立的土木建筑，它深深地扎入到海底，只受到风和波浪的作用。它更像我们常见的陆上建筑物，在抵抗风和波浪的过程中，依靠的是结构的变形。它相当于修炼了金钟罩、铁布衫的功夫：任尔东西南北风，我自岿然不动。当然风和波浪也造成了很大的压力：就算你会金钟罩、铁布衫，拳头打在身上，它也疼啊。这也就是为什么随着水深的增加，固定式风电的成本会上升得这么快的原因。而漂浮式是另外一种形式的结构：它由一个漂浮的浮体撑起了风车和浮体本身的重量，然后用锚泊系统，即图中的几条大绳子连接到海里。漂浮式整体的系统都是非常柔韧的：波浪过来了，浮体就摇一摇；风吹过来的时候，在弹簧也就是在几条大绳子的牵引下动一动，这样以自身的运动来抵抗外部的风和波浪力的作用。就相当于修炼的是太极功夫，讲究的是卸力。虽然风过来了，我被推走了、被打走了，但是身子就不疼，这也是为什么漂浮式这一形式随着水深的变化，成本增加并不明显的原因。知道了机理和要求，我们现在要开始进行一些设计工作。首先我们要设计下边的大浮体。大家刚才也看到了，漂浮式海上风电就是典型的“头重脚轻”，看起来很容易倒。而且它本身一直是漂浮在水面上的，我们要确保它有足够的排水量，提供足够的浮力，这样才能把整体的风车和自身撑在水面上。大的浮力才有调节的空间，才能让自身具备抗摇动能力。怎么设计它的抗摇动能力呢？我们要尽量地把重心放下，把浮心往上移，在水中打造一个“不倒翁”。水中“大柱子”的尺寸越大、淹没在水中的深度越深、它们之间的距离越长，它抗摇动的能力就越强。那是不是抗摇动的能力越强，性能就越好？当然是否定的。如果它抗摇动的能力太强，就会和波浪力产生一个共振，这样会造成剧烈的运动，导致结构损坏。因此，我们既要让它具备比较优秀的抗摇动能力，又不能强到与波浪力发生共振。经过团队的辛勤工作和奋斗，我们最终定格了漂浮式基础的形状，就和图中所示的一样。设计好了浮体，下面我们要设计这几条大绳子，也就是锚泊系统。漂浮式风电到底需要什么样的大绳子？答案是“软硬适中”。这条大绳子就像弹簧一样约束着我们的浮体运动，如果它太硬了，相当于没有弹簧卸力的作用，它还是容易受到破坏。那把这条大绳子变得软一点，是不是就没有问题了？也不是，它的水平方向可能会和波浪力发生共振运动。所以我们要把它变得更软一点。但是变得更软，也会产生一个问题：绳子越软，平台被吹出去漂移的距离就越远，这样电缆可能就会被破坏了。所以电缆也是控制绳子能有多软的关键因素。我们既要保证整体的绳子足够软，又不能让电缆被破坏，这就是设计大绳子的标准要求。知道了标准要求后，我们要开始设计大绳子，首先要搞清楚它的机理。虽然我们把它想象成一个弹簧，但它不是一个真正的弹簧，它是一个非常复杂的系统。绳子的长度、形状、布置方式，包括材质、重量、直径都对整体绳子的软硬有非常大的影响。大家从右侧这幅图中可以看出，弹簧是线性的一条直线，然而大绳子是非常复杂的，是一直变化的一条曲线。那么这样复杂的系统，我们怎么样才能完成设计？实际上从全球范围来看，目前没有一个专业的商业软件能完成这项工作。我们需要一位非常有经验的工程师，先选择一条大绳子，然后再不停地试错、改进，最后设计出来一个非常好的绳子。而这些过程都是非常保密的，比如我们要向外国买一个大绳子的设计，他会给我们一个还不错的最后结果。中间是怎么调整的，为什么这么选，是没有人告诉我们的。为了解决这个卡脖子的问题，我们专门研发了一个软件，它可以用计算机自动为我们寻找一个好的大绳子的设计方案。▲ 左：长度 形状 布置方式
右：材质 直径 重量
这个软件可以直接输出绳子的长度、形状、布置方式；而且能确定绳子的材质、直径以及重量。这就完成了整个大绳子需要的一个设计。为什么要进行验证？因为海上风电的建设成本非常高，风险也大。我们设计好之后，需要经过详细的验证，最终才能开工、施工和建造。做实验的过程中，我们一定要严格考虑风和波浪的双重影响，为什么？因为在波浪的作用下，平台就会开始摇晃，带动上面的风车也开始摇摆，这样风力就会产生一个比较复杂的变化。风和波浪的联合耦合的影响，才能决定最终结构的安全，决定发电效率等一系列的问题。因此我们必须在模型试验的过程中，同时考虑风和波浪的双重影响。模型试验是什么意思？就是把左图中那么大的大家伙，等比例缩小成实验室可以放下的这么小的小东西。当然缩尺的时候要参照一定的原则。我们按照几何尺寸等比例缩小之后，会发现波浪力是准确地模拟了，但是风力由黏性力为主导，要遵循另一种等效的原则，否则风力就会产生一个变化。如果我们直接按照几何尺寸等比例缩小，就会形成图中红色的曲线。但实际上我们最终要求的是上边黑色的实线，它们差距还是很大的。因此，我们提出了一种新的实验室尺度的风机叶片的模型设计方法。通过这套方法，我们可以确保叶片的推力在全风速中，或者说在每一个风速的阶段都能够符合目标值，做到风的推力相似。可以说，这项技术在目前的世界范围内都是比较先进的。设计好了，我们要开始实验了。上图展示的是我们做模型缩尺实验的一个日常发电的实验。
大家可以看到，风车这个时候是在不停旋转的，而整体平台的运动状态非常稳定。这就是真实的海域中，我们的风机平台在正常发电时的运动状态。这个实验是我们模拟台风来袭时整体平台运动的状态，大家可以看到，这个时候风车已经停止了转动。为什么会这样呢？因为如果在台风高强风速的情况下，风车还在旋转，就会有一个巨大的风推力，对发电机、整体结构和大绳子都会产生巨大的冲击，带来结构的安全问题。因此在台风工况下，我们会停止旋转，把风车锁定。大家可以看到，这时大绳子和整个浮体的运动会变得更加剧烈。经过模型试验，我们验证了之前设计的浮体、大绳子、整套系统都是没有问题的。那么接下来，我们就要进入施工建设的环节中，一起来看一下施工中的视频片段。首先，我们把浮体的各个分段进行吊装和搭载，组成一个完整的浮体。组装完成之后，就要进行拖航，我们要把组装好的浮体滚装拖到半潜船上。接着，船驶入较深的水域，半潜船下沉，让浮体浮在水面上。然后利用拖船把浮体拖到和风车连接的码头。浮体到达吊装的码头后，便要组装大风车。紧接着就要吊装塔筒，塔筒吊装完毕，我们要把风车连接到塔筒之上。浮体、塔筒和风车连接到一体之后，再把它们一体化拖航到我们海上风电厂的就位位置。到达就位位置之后，要做的是把我们原来设计好的、已经加工好的、在位的大绳子连接到浮体之上。就位安装就是把大绳子连接到浮体的过程。最终，2021年12月，全球首台抗台风型海上风力发电系统装备“三峡引领”号成功地并网发电了，单台机组每小时满发电量可以达到5500度，每年可为3万户家庭提供绿色的清洁能源。未来单个海上漂浮式风电场的规模可能到300-500兆瓦，每小时满发电量可以达到30-50万度，每年可为150-300万户家庭提供绿色的清洁能源。广东是用电大省，它的电能很多来自于西电东送。如果未来可以大规模地建设海上漂浮式风电场，我想这可能在很大程度上解决广东用电依赖的难题和窘境，同时也为祖国的碳中和、实现双碳目标提供一些助力和支持。回首这几年的工作，在整个项目团队的精诚合作和团结努力下，我们完成了中国首台漂浮式风力发电系统装备的研制和应用示范，同时这也是全球首台抗台风型机组，我们把不可能变成了可能。希望大家都积极投身海上风电事业，都有把不可能变成可能的勇气。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。部分图片来自网络。