有了这种“大风车”,中国海上风电或将逆势崛起!

原创 樊天慧 华南理工大学船舶与海洋工程系副主任
《海上风电,大风刮来的清洁能源》

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。

水中“不倒翁”的秘密 已完成:50%

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。

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。

“乘风破浪”的海上风电 已完成:70%

设计好了我们的大浮体和大绳子,下面要进行验证了。

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。

#历史那些事[超话]#1947年5月4日上午,宋美龄从睡梦中醒来,就在她抬手想要按床头电铃呼叫女仆的时候,却惊讶地发现放在床头柜上的钻石戒指不见了。

蒋介石得知此消息,连忙交待侍卫长俞济时彻查此事。为了迅速查明事情真相,他不惜出动保密局大量人力物力,甚至动用了先进的测谎仪,可还是没有找到钻戒。

然而,就是这起连保密局都破不了的案子,最终却被一名老刑警和民间高手轻松化解。

通往宋美龄的卧室三步一哨,五步一岗,盗贼是如何盗走钻戒呢?这位老刑警和民间高手又是如何轻松破案?宋美龄一生拥有金银珠宝无数,又为何格外在意这颗钻戒呢?

种种疑团,还得从钻戒丢失的前一天说起。

那天夜里,宋美龄和蒋介石应邀参加宋氏家宴。蒋介石因为有公务在身先行离开了,宋美龄则兴致不错,一直玩到凌晨才回家休息。

睡前她将钻戒取下,随手放在床头柜上,不料第二天醒来却发现钻戒不见了。她立马叫来贴身女仆陈亚丽询问此事,得知消息的陈亚丽也是大吃一惊。

两人在宋美龄卧室一阵翻箱倒柜寻找,直到累得满头大汗,却连钻戒的影子也找不到。

为此,宋美龄断定戒指是被人偷走了。

蒋介石得知消息后,认为自己的卧室里居然会丢东西,如果传出去是十分丢人的事,劝宋美龄息事宁人,可宋美龄却坚持要寻找。

因为这枚钻戒意义非凡,是当年美国总统罗斯福夫妇送给宋美龄的礼物,钻戒上还刻有他们的亲笔签名。

蒋介石听后,自知拗不过宋美龄,只好命令侍卫长俞济时彻查此事。

接受命令后的俞济时不敢怠慢,他综合分析了各种情况后,认为能够在戒备森严的总统府偷走钻戒的不可能是外人,定是出了家贼。

于是,他召集了府中所有下人,通告了这次失窃事件的严重性,并警告他们:“若有偷盗钻戒者,必须在两小时内将东西放在府中显眼处,如若不然,最后查到偷盗者,后果无法想象。”

尽管俞济时三令五申,可到了规定的时间,仍然没有钻戒的任何消息。

此时他开始把怀疑对象锁定在宋美龄贴身女仆陈亚丽和点心师唐一祺身上。因为钻戒丢失那晚,和宋美龄的生活起居有过接触的就这两个人。

俞济时经过再次分析后,认为陈亚丽在宋美龄身边已经很多年了,而这个新来的点心师不过才来了几个月,所以他的嫌疑最大。

当即唐一祺就被俞济时叫走,询问那晚钻戒丢失情况,可唐一祺自始至终都坚决不承认自己拿过钻戒,这让俞济时也大为恼火。

软的不行就来硬的,俞济时对唐一祺进行严刑拷打,企图逼供,可即便唐一祺经受了酷刑,却依旧不承认投了钻戒。

唐一祺很快被折磨的奄奄一息,就差闹出人命了,俞济时这才不得以停手。

眼看这桩失窃案查无头绪,俞济时不得不郑重其事地给蒋介石写了份报告,建议钻戒失窃案交由保密局来处理,蒋介石看完报告深以为然。

很快保密局的负责人毛人凤就接到了彻查失窃案的命令。为了证明自己的办事能力,他立志五天时间把案子查清楚。

他以为这只是一次普通的失窃案,然而事情远没有那么简单。

保密局的人处理事情确实有一套,他们先是抓来唐一祺,并动用重金购买的先进测谎仪进行测试,发现唐一祺确实没有说谎,事实摆在面前,唐一祺的嫌疑被洗脱。

接着重点嫌疑对象就是女仆陈亚丽,她从小在宋府长大,和宋氏家族颇有渊源,碍于这层关系,保密局把测谎仪搬到了总统府,名义是对所有下人测试,实则专门调查陈亚丽。

经过调查,测谎仪显示陈亚丽有说谎行为,保密局立即派人搜查陈亚丽房间,可搜遍各个角落,也没发现钻戒影子。

最终在宋美龄庇护下,陈亚丽也被洗脱了嫌疑。

案子一时陷入了僵局。

为了将事情查个水落石出,蒋介石又把案子交给了警察局,很快警署就派出6名破案经验丰富的老刑警来调查。

最终,警局排除了唐一祺和陈亚丽的嫌疑,但是总统府外墙角处的几粒老鼠屎引起了其中一名老刑警的注意。

他大胆推测是老鼠叼走了钻戒,并在民间找到了一位捕鼠专家,沿着老鼠屎,顺利找到了老鼠洞。

宋美龄的钻戒果然在老鼠洞中。至此,事情的真相才大白于天下:偷走钻戒的真凶原来是只老鼠。

#创作力计划#

#星座爱情#
巨蟹男为什么娶天秤女概率多

其实很多时候爱情的发生总是会让人摸不着头脑的,我们以为自己会朝着理想状态的结婚对象寻找谈恋爱的人的过程,却会因为一些机缘巧合和那些看似完全不可能在一起的人相逢。那对于巨蟹和天秤之间到底他们存在着什么样的缘分,让他们总是相知相爱呢?

巨蟹男为什么娶天秤女概率多

巨蟹和天秤之间总是存在的一种很神奇的缘分,让他们相遇,相知,相爱,相守,蟹呢在生活当中非常的体贴和细致,他们能够竭尽所能给予对方最好的照顾和温柔。而天秤也是一个比较善良和温柔的人,他们对于自己的人生有着非常清晰的规划,对于自己的目标总是能够坚定不移的去执行。他们对于爱情都是比较执着和专一的,所以在一起的时候能够去尝不断相处的过程也会甜蜜和谐。

巨蟹男为啥喜欢天秤女

巨蟹男喜欢的人一定是比自己更优秀,更美好的女生,再加上天秤在十二星座当中颜值是非常出类拔萃的,所以非常满足巨蟹对于择偶的要求。再加上巨蟹本身是一个比较温柔体贴的人,他们能够应对所有性格的女生。他们一向都是把父母看得很重,他们希望父母能够过得幸福快乐。天秤也是一个非常孝顺的星座,所以天秤女的做法会让他们觉得这个女孩子很善良,自己要好好保护。

巨蟹和天秤天生宿命

巨蟹和天秤可以说是天生的宿命,当他们相遇的那一颗爱情的种子就已经在他们之间种下了,而在日后的相处过程当中,可以说是非常的情投意合,几乎不会发生任何的矛盾和摩擦,他们在性格和脾气方面都非常的合拍互补,两个人也能拥有一样的三观和共同的兴趣爱好,为他们的美好生活添砖加瓦。不管是巨蟹还是天秤,都是非常温和与随性的人,不会为了小事斤斤计较,也不会因为某些事情变得咄咄逼人。


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