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。

【张伯礼:#奥密克戎BA.5变异株传染性更强#,防护要两道屏障】

南都讯 7月10日,中医药关键技术装备先行先试推进会在广州市黄埔区举行,会上正式启动了“中医药阻抑新冠肺炎传播的临床和基础研究专项”。

针对近期全国多地再出现新冠肺炎疫情,受邀参会的“人民英雄”国家荣誉称号获得者、中国工程院院士张伯礼在会后接受记者采访时表示,新冠疫情出现新变化,奥密克戎病毒逐步转到BA.5变异病毒株,其传染性更强,免疫突破能力也更强,但从目前形势判断,它并未加重病情。

“从南非的评价来看,它(病毒)并没有加重(病情),欧洲的意见则是它侵袭部位从过去的气管转到了肺部,肺的炎症更重一些,中国(的情况)还在密切观察。”张伯礼指出,我国西安等地都出现了奥密克戎BA.5,疫情防控仍不能大意,依旧要坚持采取精准防控、动态清零的政策。

由于BA.5变异毒株的传染性更强,张伯礼提醒,务必要做好个人防护,并提出要构筑好“两道屏障”。

第一道屏障是加强疫苗的注射,尤其对于有基础疾病的老年人,更应该积极接种新冠疫苗,以此降低重症发生比例。“上海的抗疫经验显示,老年人有基础病,没有重视(接种)疫苗的,得重症的比例相对要高得多,而接种了疫苗发生重症的比例要少,所以还是要加强疫苗的接种。”他说。

第二道屏障是要加强中医药“治未病”的优势,建议密接者、有高危因素的人群在早期可服用相关中药,具有一定的预防保护作用。“我们在天津、上海、吉林等地都做了相关实验,并有了相关的数据,密接者服用中药以后,阳性检出率要降低30%—50%,效果还是比较明显的。”张伯礼说。

采写:南都记者 莫郅骅

摄影:南都记者 马强

#讲述防疫好故事,争做健康青少年#
疫情引发的思考以及感悟
“疫”路上中华儿女发扬着团结一心、自强不息、守望相助、协和万邦的中国精神,是让疫情积极向好的重要法宝。此生无悔入华夏,来世还在中华家,谢谢每一个平凡的中国人,你们为抗疫做出的点点滴滴让中华中国精神体现得淋漓尽致,让中华中国精神在历史的年轮中熠熠生辉,你们的平凡坚守与担当标注出闪亮的中国精神坐标。
万众一心。铸造抗击疫情的钢铁长城。疫情发生后,从中央到各级党委,基层组织,全国上下,全民动员,全员参与,全民配合,筑牢疫情防控的铜墙铁壁。全国一盘棋,全国人民一条心。上下同欲者胜,万众一心者兴,经过大家的艰辛付出,今天疫情防控取得积极向好变化。人心齐,泰山移,团结就是力量,疫情无情,大爱无疆,战疫场上,有的出钱,有的出力,大家积极投身到疫情防控中,大家齐心协力,无惧风雨,终见今日之彩虹,众志成城,必能一往无前,这种精神所汇聚起的磅礴力量必将是书写精彩华章的催化剂。
自强不息。激发起抗击疫情的强大动力。在悠悠的历史长河中,泱泱中华五千年,注定了她的不平凡,注定了中华中国精神的胸怀宽广博大,她也孕育了一代又一代自强不息的中华儿女。战疫场上,没有“基建狂魔”“白衣天使”,有的只是具有自强不息精神的“中国脊梁”。中华儿女能吃苦,不言败,与时间赛跑,始终把人民的生命安全与健康放在首位,一件一件小事做实做细,创造了战疫的大国传奇。中华儿女敢担当善作为,尽心尽责尽力,甘于奉献,义无反顾向前冲,始终保持斗志昂扬的精神,一步一个脚印走实走深,尽全力与病毒赛跑,以“拼命劲”为疫情大考交出合格答卷,向自强不息的中国人民致敬。
守望相助。奠定抗击疫情的坚实基础。“一方有难,八方支援”的民族传统成为我们抗击疫情的坚实基础。大灾显大爱,患难见真情,一次次火速集结的背后,是一个个动人的场景。“疫”路上无数中华儿女在“小家”与“大家”面前,在亲情与责任之间,作出了义无反顾的选择,展现了勇往直前的胆魄。他们用实际行动诠释了中华儿女的责任与担当。回首 “疫”路上,中华儿女用自己的力量默默奉献着,他们用自己的一束光簇拥着另一束光,爱的力量亦会众人拾柴火焰高,暖心聚力,迎来了今天的优异成绩,中国人好样的,中国精神,奥利给!
协和万邦。彰显大国责任与担当。中国政府采取的防疫措施与救治措施有效阻止了疫情的蔓延,坚持公开透明,积极采取措施帮助其他国家共同抗疫。抗击疫情的中国行动、中国方案、中国精神,让世界看到了中国的责任与担当,感受到了中国的力量与决心。面对疫情,中国始终秉持人类命运共同体理念,在做好本国疫情防控的同时,积极向国际社会开展疫情防控工作,积极与他国共享防疫经验,派遣专家奔赴疫情较为严重的国家参与疫情防控工作,中国防疫经验迅速走向世界,让世界看到了大国的情怀,中国这个负责任的大国形象更加深入人心。
风雨压不跨,苦难中开花。中华儿女用万众一心、自强不息、守望相助、协和万邦的干劲让中华中国精神熠熠生辉,中华儿女用担当与责任标注出了闪亮的中国精神坐标。谢谢每一个平凡的中国人,你们是如此伟大,要对自己说一声“感谢拼命的自己”。春天来了,阳光正好,微风不燥,让我们迎风奔跑,书写灿烂辉煌的中国新时代新篇章!
白塔寺武校
九一班
连潘钰


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