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。

一个女生去信问三毛:“ 我今年廿九岁,未婚,是一家报关行最低层的办事员,常常在我下班以后,回到租来的斗室里,面对物质和精神都相当贫乏的人生,觉得活着的价值,十分……对不起,我黯淡的心情,无法用文字来表达。我很自卑,请你告诉我,生命最终的目的何在? 以我如此卑微的人(我的容貌太平凡了),工作能力也有限,说不出有什么特别的兴趣,也从来没有异性对我感兴趣。 我真羡慕你,恨不得能够活得像你,可惜我不能,请你多写书给我看,丰富我的生命,不然,真不知活着还有什么快乐? ”

不快乐的女孩: 从你短短的自我介绍中,看来十分惊心,二十九岁正当年轻,居然一连串的用了——最低层、贫乏、黯淡、自卑、平凡、卑微、能力有限这许多不正确的定义来形容自己。 以我个人的经验来说,我也反复思索过许多次,生命的意义和最终目的到底是什么,目前我的答案却只有一个,很简单的一个,那便是“寻求真正的自由”,然后享受生命。 不快乐的女孩,你的心灵并不自由,对不对?当然,我也没有做到绝对的超越,可是如你信中所写的那些字句,我已不再用在自己身上了,虽然我们比较起来是差不多的。

如果我是你,第一步要做的事是加重对自我的期许与看重,将信中那一串又一串自卑的字句从生命中一把扫除,再也不轻看自己。 你有一个正当的职业,租得起一间房间,容貌不差,懂得在上下班之余更进一步探索生命的意义,这都是很优美的事情,为何觉得自己卑微呢?你觉得卑微是因为没有用自己的主观眼在观看自己,而用了社会一般的功利主义的眼光,这是十分遗憾的。

一个不欣赏自己的人,是难以快乐的。 当然,由你的来信中,很容易想见你部分的心情,你表达的能力并不弱,由你的文字中,明明白白可以看见一个都市单身女子对于生命的无可奈何与悲哀,这种无可奈何,并不浮浅,是值得看重的。

很实际的来说,不谈空幻的方法,如果我住在你所谓的“斗室”里,如果是我,第一件会做的事情,就是布置我的房间。我会将房间粉刷成明朗的白色,给自己在窗上做上一幅美丽的窗帘,我在床头放一个普通的小收音机,在墙角做一个书架,给灯泡换一个温暖而温馨的灯罩,然后,我要去花市,仔细的挑几盆看了悦目的盆景,放在我的窗口。如果仍有余钱,我会去买几张名画的复制品——海报似的那种,将它挂在墙上……。这么弄一下,以我的估价,是不会超过四千台币的,当然除了那架收音机之外,一切自己动手做,就省去了工匠费用,而且生活会有趣得多。

房间布置得美丽,是享受生命改变心情的第一步,在我来说,它不再是斗室了。然后,当我发薪水的时候——如果我是你,我要给自己用极少的钱,去买一件美丽又实用的衣服。如果我觉得心情不够开朗,我很可能去一家美发店,花一百台币修剪一下终年不变的发型,换一个样子,给自己耳目一新的快乐。我会在又发薪水的下一个月,为自己挑几样淡色的化妆品,或者再买一双新鞋。当然,薪水仍然是每个月会领的,下班后也有四五小时的空闲,那时候,我可能去青年会报名学学语文、插花或者其他感兴趣的课程,不要有压力的每周夜间上两次课,是改换环境又充实自己的另一个方式。

你看,如果我是你,我慢慢的在变了。 我去上上课,也许可能交到一些朋友,我的小房间既然那么美丽,那么也许偶尔可以请朋友来坐坐,谈谈各自的生活和梦想。 慢慢的,我不再那么自卑了,我勇于接触善良而有品德的人群(这种人在社会上仍有许多许多),我会发觉,原来大家都很平凡——可是优美,正如自己一样。

我更会发觉,原来一个美丽的生活,并不需要太多的金钱便可以达到。我也不再计较异性对我感不感兴趣,因为我自己的生活一点一点的丰富起来,自得其乐都来不及,还想那么多吗?

如果我是你,我会不再等三毛出新书,我自己写札记,写给自己欣赏,我慢慢的会发觉,我自己写的东西也有风格和趣味,我真是一个可爱的女人。

不快乐的女孩子,请你要行动呀!不要依赖他人给你快乐。你先去将房间布置起来,勉强自己去做,会发觉事情没有你想象的那么难,而且,兴趣是可以寻求的,东试试西试试,只要心中认定喜欢的,便去培养它,成为下班之后的消遣。

可是,我仍觉得,在这个世界上,最深的快乐,是帮助他人,而不只是在自我的世界里享受——当然,享受自我的生命也是很重要的。你先将自己假想为他人,帮助自己建立起信心,下决心改变一下目前的生活方式,把自己弄得活泼起来,不要任凭生命再做赔本的流逝和伤感,起码你得试一下,尽力的去试一下,好不好? 享受生命的方法很多很多,问题是你一定要有行动,空想是不行的。下次给我写信的时候,署名快乐的女孩,将那个“不”字删掉了好吗?

你的朋友三毛上 https://t.cn/RxmhQma

#明日方舟[超话]# 我不能理解,有的q群是什么鬼啊
入群问当前六星up是谁
我寻思这会维护着呢应该答更新完了池子吧,然后管理员给我拒了。那我想着那就是答更新以前的呗。
好嘛,这次是给我过了,然后我想着自己没有合适的打招呼的表情包,群里也在聊不知道啥东,我一新来的不好插话就没说话了
然后我看见一个貌似是群主的家伙说他怀疑新来的是个云,因为我看见也有个二级牌子的人在问问题,我就以为是那个人说了点坏话,然后我就去别群聊天了,然后一个提示音过来,我以为是我好友发的信息,然后一看,哦,把我踢了
我也不知道咋回事嘛,就看了看踢我以前的聊天记录,哦,那个像是群主的还是说怀疑新来的是云,而且好像还没说过话,我踢了。
我才知道,哦,原来那是说我
本来我才刚玩了两天就是啥啥不知道嘛,那我答更新后的池子给我拒了,我答更新前的给我过了然后紧接着说我是云把我踢了,到底要怎么样啊,真是你清廉你牛逼你家养的老黄牛给这你妈开飞机,fm了


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