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。

吃甜点、喝奶茶,真的是装进了另一个胃?
  一块刚出炉的披萨、一个慢火烧制的蓬松面饼……当你吃得饱得不能再饱时,有人问道:“要不要再来点甜品?”你可能眼睛顿时睁大,然后咧嘴一笑:“嗯,甜点的话,还是可以再吃一点的。”

  这就是我们常说的“甜点胃”,它似乎与我们吃正餐时装饭食的胃并不是同一个?最近有篇在医学杂志上发表的文章,还特别论证了这种“甜点胃”的存在。

  但是请注意,所谓的“甜点胃”其实并不存在。它只是科学家们的一种幽默说法。至于我们在吃撑了的情况下,还能“再来点甜点”,其实另有原因。

  有个专业名词叫“感官特异性饱腹感”

  你怎么知道自己吃饱了?这当然不是因为食物塞满了你的胃。这种产生“饱腹感”的身体机制其实存在于你的大脑中——大脑几乎控制着我们所有的身体功能。

  具体来说,这个能感知“饱腹感”的东西就位于大脑的下丘脑部分。它同时还充当着“饥饿感”的“控制中心”。

  当你狼吞虎咽吃披萨时,食物会通过你的嘴部沿着食道向下移动,最终落入你的胃里。随着你吃得越来越多,披萨开始填满你的胃,胃会膨胀,然后被周围的“牵张感受器”检测到,然后“牵张感受器”通过迷走神经向你的下丘脑发送信号。当信号到达下丘脑时,它们会触动“饱腹感计量器”:如果你继续进食,饱腹感就会不断上升,让你感觉自己“已装不下其他更多东西了”。当这种指令到达最高指数时,你就会停下吃东西。这是因为除了一般的“饱腹感”之外,你的大脑中还有一整套额外的“仪表”来测量“感官特异性饱腹感”。

  什么是感官特异性饱腹感?

  食物具有多种感官特性:甜、咸、脆、油、滑、辣、耐嚼、嫩、酸、热、冷、油腻、多汁、酥、脆,等等。对于每一个感官特性,你都有一个特定的饱腹感计量器。也就是说,你的大脑不仅会记录你的胃有多饱,还会测量你吃了多少油腻的食物、吃了多少咸的食物、吃了多少甜的食物等。当你吃饱了披萨时,通常不是因为你真的吃了很多东西,而是因为你大脑中特定的感官饱腹感计量器告诉你,你已经吃了足够多的油腻和咸味的食物。换句话说,就是你的大脑已经厌倦了具有披萨类似特性的食物。

  然而,此时当你看到另一种完全不同的食物,比如巧克力蛋糕,它的感官特性与比萨毫无关系,那么你的胃口就会突然恢复——因为你的甜度计量器仍然是“空的”,那么,你的肚子里自然也就还有空间可以装下甜点了。

  除了感官上的“饱腹感”之外,在刚刚吃完六片披萨,却还能吃下一块蛋糕的不可思议的行为背后,还有一个额外的原因:你的胃确实为更多食物腾出了空间。

  胃是由肌肉壁组成的,当你的大脑期待新的食物时,它就会向你的胃发出一个放松的命令。而你的胃在收到这个命令后,会像一条从深海浮出水面的大头鱼一样放松和膨胀,它确实会增加自身体积以容纳更多食物。

  所以,在你偷偷地松开自己的腰带的同时,你的胃也悄悄地做了同样的事情。

  这种特殊感觉是让你暴饮暴食的原因之一

  与熊猫不同,人类不只靠一种食物生存。人类是杂食动物,我们需要多样化的饮食来保持身体健康所需的所有营养素。因此,我们的祖先进化出了这种“感官特异性饱腹感”——那些只吃一种食物的穴居人可能会死于营养不良,而有着感官特异性饱腹感的人才能繁衍生息。

  所以说,感官特异性饱腹感对我们是如此重要,以至于它完全是潜意识的。即使在患有健忘症、可能不记得自己最后一餐是什么或是否真的吃过的人身上,它也是可以体现的。让健忘症患者尽可能地放开来吃三明治,然后等他们忘记刚才吃了什么之后,再为他们提供第二顿饭,他们如果再吃三明治,也仍会比其他东西吃得少很多,那是身体里的计量器在告诉他们的身体:“这种食物我们不想再吃了。”

  作为潜意识,特定的饱腹感似乎应该保护我们免于吃太多同类型的食物。然而,情况却并非完全如此。因为我们的大脑真的很容易被“愚弄”。

  在另一项实验中,研究人员让测试人员吃颜色相同的聪明豆——比如说红色。然后,不久之后,又给他们更多的聪明豆,这些豆的味道、质地和气味都相同。奇怪的是,在吃第二份聪明豆时,测试者们吃其他颜色的豆会比红色的要多一些——他们的感官特异性饱腹感被人造食用色素“愚弄”了。我们的大脑可能会假设,如果某样东西有不同的颜色,它也将具有不同的营养价值。因此,当我们看到更多颜色的聪明豆、彩虹糖、甜甜圈和装满冰淇淋的盘子时,我们会比实际情况表现得更饿。因为我们的大脑看到眼前这一切时会说:“最好保持饥饿,这样我们才能从每种颜色中获取营养。”

  更糟糕的是,现代的工业垃圾食品经过专门设计后,具备了各种质地、口味和颜色,它们可以尽可能地刺激我们的味蕾,让我们吃下更多。

  怎么才能克服它,让自己少吃点?

  既然你能吃多少很大程度上取决于你的大脑对你面前的食物厌倦的速度,那么,有没有办法确保你的大脑更快地感到无聊,这样你就不会吃得那么多?办法当然是有的。

  首先,避开自助餐。自助餐中提供的种类太多了,即使你的目标不是让餐馆老板破产,你也会比平时吃得更多;其次,不要使用酱汁和其他调味品。或者至少只坚持使用同一种调味品或酱汁。如果你先端上一盘加番茄酱的炸薯条,然后再端上一盘蘸蛋黄酱的炸薯条,你肯定会吃下更多;第三,小口吃。收起你的大勺子,用茶匙或筷子吃饭。有研究表明,一口大小和啜饮多少都会影响你的饱腹感,因为感官特异性的饱腹感并不能衡量有多少特定食物进入了你的胃,而是衡量你吃了多少口;最后,记得要慢慢吃,不要狼吞虎咽。这会延长你所吃食物的口腔暴露时间,你会因为厌倦而不会吃太多。此外,通过慢慢吃饭,你还可以让其他机制发挥作用,阻止进一步塞满你的胃,例如额外的肠道牵张感受器和大量来自肠道的化学信号等。

  至此,你应该能明白为什么你总是可以吃下甜点?这只是因为在吃饱主食之后,你的大脑已经厌倦了主食,但另外一种质地、颜色、味道和形状都不同的东西一旦摆在你面前,你的胃口仍会立刻恢复。 

【#秦知道# 丨城市公共艺术如何为西安城市文化“种”出一轮“红太阳”?】昆明池水汉时功,汉武帝像显威风。昆明池遗址公园内,坐落着一座巨型的汉武帝操练水军雕塑。夕阳照耀下的汉武帝犹如身披金甲,金碧辉煌,仿佛重振大汉天子威严。

作为历史文化名城,丰富的雕塑艺术是西安城市文化不可或缺的点睛之笔,像汉武帝操练水军这样的雕塑,近年来在西安不断涌现。在西安打造彰显中华文明的世界人文之都的目标下,城市雕塑作为城市公共艺术的形式之一,与各类文化街区、艺术街区一道,将如何托起西安文化发展的一轮“红太阳”。

公共艺术其核心内涵是指艺术品所关注的社会公共领域所关心的事物和问题,并蕴含和显现全民社会的公共精神。公共艺术重在关注市民公众的公共参与和社会对话之过程。它在审美文化之外还肩负着当代启蒙和社会批判的职责。

而城市公共艺术是由城市、公共和艺术三个要素组成。一方面,它是指城市公共空间的艺术,是广大市民共同享有和欣赏的艺术。另一方面,它应该具有公共意识,要符合大众的审美需求和审美取向,要与城市的历史文化、社会发展、时代精神、审美风尚等方面相融合。

2019年初,竖立在钟楼附近的“秦俑发光人脸”刷屏西安人的朋友圈,引发全国网友关注,有人吐槽“吓哭”游客了,也有人觉得挺有意思的想去试试,但最后也难逃消失的结局。

2021年,西安市朱雀大街南端的一座耀眼的红色城门拔地而起。明德门遗址保护展示工程——“盛世留影”的建成在坊间引起了热议。

与传统保护方式不同,“盛世留影”放弃了对城门形象的具体诠释,将具象的明德门抽象为五片平面剪影,在1比1还原建筑考古尺寸的同时,五片叠加的结构形成了既传统又现代、既抽象又具象的视觉效果,仿佛明德门从盛唐走来,在运动中多次曝光留下的盛世留影。

我们看到,城市公共艺术作品不仅要展现出历史文化底蕴,更要彰显其底蕴感和影响力。而在当下,在城市的某个空间放一尊雕塑,已远远不是公共艺术的全部。让艺术走进大众的生活,是增强全民公共意识和社会责任感的重要方式之一。

6月10日,相较于过去西安美术学院本科毕业展不同的是,今年以群展的形式呈现在西安的购物中心之内。凭借着与购物中心这一公共空间的深度融合,展览迅速在城市青年文化领域内破圈,成为了焦点,让原本专业的艺术,走进了大众的生活。

由此可见,要想让公共艺术引发城市“触媒”效应,就要发挥其“公共性”,推动艺术与自然、城市、乡村、社区、公众之间互动融合,深究其精神内核,让艺术融入城市,并涵养整座城市。在西安城市更新的过程中,需要通过一座座雕塑、一条条街道,让城市的历史长河流动起来,让人感受到城市文化绵延不绝的生命力。

就城市公共艺术的定位而言,它既可以在与环境的对峙中自我凸显,也可以在与环境的和解中求得和谐。基于城镇化加速的发展阶段,景观城市目前仅仅只是一个目标。就城市的现实而言,现阶段正是开启城市公共艺术发展繁荣和多元化的一个良好时机。

随着经济社会的快速发展,西安的高新技术产业、装备制造业、现代服务业、文化产业等特色产业正进入快速成长期,城市规模不断扩张,城市面貌及城市功能正在快速演变。

在城市化高速发展的进程中,“千城一面”的问题逐渐浮出水面。千篇一律的“墙建筑”和“韭菜楼”,让西安鲜有具备观赏价值的城市天际线,古都的底蕴也仅仅只能在几个旅游景区得到展现,城市文化与城市个性严重缺失。如何从一座功能城市转变成一座人文城市?这就需要为城市植入的公共艺术“种子”。

在地铁站放置艺术品从不是一件新鲜事,从莫斯科地铁站的艺术宫殿,到纽约地铁站的玩味壁画,均是将公共艺术完美结合地铁空间的杰作。众所周知,西安地铁“一站一景”文化墙从设立至今便一直饱受好评,因其每一站的独立logo设计、精美的巨幅文化墙、古今相融的车站装修与细节设计,精致地展示了西安这座城市的历史,让市民和游客在出行之余也能感受到西安的历史文化魅力。

将旧厂房改造成为艺术园区,从而焕发新活力的案例也屡见不鲜。全球最早的此类艺术产业园区之一是位于纽约的苏豪区(SOHO),早在上世纪五十年代,就有艺术家被这里的廉价租金所吸引,开始租用这里的厂房作为工作室,利用其自成一派的独特美感,让工业遗产焕发出新活力。

近几年,西安越来越多的老厂房,也实现了从废旧厂区向艺术园区的“华丽转身”,以新的风貌延续着西安的城市记忆。大华·1935、老钢厂设计创意产业园、半坡国际艺术区等艺术园区相继形成,而其前身分别是大华纱厂、陕西老钢厂、西北纺织工厂等。

此外,曾经的建国门综合超市,也摇身一变成为了老菜场市井文化创意街区。这片曾经破旧的菜市场及周边,已成为了“内外兼修”的西安文化地标——兼具市井生活、时尚与艺术气息。

在这类园区中,各类艺术展览已是司空见惯,与之伴生的各类新业态也正蓬勃发展。更重要的是,艺术园区为公共艺术与公众之间搭建了一条能够有效对话的通道,也是基于对城市公共空间建设与社区营造的一种积极探索。

对于西安的特色产业——文化产业来说,公共艺术更是其发展的动力之一。如何发挥好公共艺术的“在地性”,让历史文化和潮流文化交相辉映,是当下需要思考并探索的问题。

打造彰显中华文明的世界人文之都,是西安未来五年建设国家中心城市的奋斗目标。用好公共艺术这颗城市文化“种子”,可以有力地推动西安文化发展,涵养城市文化底蕴,并展现城市时代精神。对于西安的城市公共艺术来说,在这个传统与现代交叠的当下,无疑迎来了一个最好的时代。


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