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。

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“中医药事业发展迎来新的历史机遇。

”国家药监管党组成员、副局长徐景和在日前举行的国家中药科学监管大会上做出上述表述,他认为,中药监管工作正全方位迈入新的历史发展阶段,需要以更大的魄力、更务实的行动,激活中药传承创新发展的潜能,切实推进中药高质量发展。

近年来,我国中药产业规模和水平显著提升,但行业发展还未跟上规模的脚步。多位业内人士表示,中医药行业迎来快速发展期,还需进一步完善中药监管体系,聚焦中医药产业高质量发展的关键技术的攻关,包括提升中药品质、挖掘古方验方、加强新药研发、升级中医药装备等,真正促进中医药现代化高质量发展。

中药产业质控明显提升

中药产业涉及农业、工业、服务业,产品链、技术链、服务链长,生产、流通、使用过程复杂。同时,中药质量的好坏直接影响药品效用,更会影响服用者身体健康,而从饮片到配方颗粒,再到中成药,其质量源头均是中药材,因此,中药材的种植、采收、加工炮制、包装、贮存、运输等环节质量把控是关键。

2021年,国家药监局综合运用专项整治、专项检查、有因检查和抽查、监测等手段,进一步规范中药生产秩序。中国食品药品检定研究院中药民族药检定所所长马双成表示,经过严格的整治和监管,过去存在的中药材种植品质下降,中药饮片炮制不规范、重金属及农药残留、掺假掺伪及近源种属药材混用等问题得到有效遏制。

数据显示,2021年,全国31个省市(除港澳台地区)共抽检中药材及中药饮片51194批,合格49807批,全国平均合格率达97%,较2017年的84%有了明显的提高。中药不良反应报告中,严重不良反应占比明显下降。马双成坦言,中药行业质量意识虽有提升,但整体仍薄弱,重产量、轻质量,重真伪、轻优劣的现象依然存在。

对此,徐景和表示,下一步仍将强化中药质量安全监管等各项工作,要多部门合力推进中药材种植和质量管理、中药全链条追溯体系建设等,医、产、学、研、监多方合作促进中药传承创新、中医药事业发展。

中药创新和研发亟待进一步发力

中国科学院院士、中科院上海药物研究所研究员陈凯先表示,中西医结合、中西医并重、中西药并用是我国中医药发展的重要方针。中西医结合,优势互补、相互补充、协调发展,不仅将大大提升医疗卫生工作为人民健康服务的能力和水平,而且也必将为在未来逐步形成中西医统一的新医学奠定基础,开辟道路。

“进入新的历史时期,中药现代化和中药创新面临着更高的要求。”陈凯先说,中药资源保护与可持续利用、中药作用的物质基础和作用机理研究、中药标准化和控制技术研究、中药复方新药研究、中药新药的疗效评价和临床研究、中药产业技术的现代化研究等,都是中药现代化的主要任务和重点方向。

同时,构建完善中药“临床经验-基础研究-临床应用”的产品研发创新链和疗效评价证据链,重视建设中医药高端科技平台体系,强化高品质中药质量保障关键技术,加强中药制药装备创新,重视中药新药研发的创新方法研究,加快推动中药产业现代化。

中国工程院院士,中国中医科学院院长黄璐琦表示,应聚焦中医药产业高质量发展的关键技术的攻关,提供相应的技术支撑,着力破解制约中药可持续发展与综合利用、中药品质提升及质量保障、中药新药的研究开发、中药生产的智能化以及中医药装备等核心技术发展的瓶颈问题,促进中医药现代化高质量发展,以实现让人民群众放心吃上中药、吃上好中药的目标。

事实上,创新不仅源自新科技的带动,更好地做到“治今病古方为我所用”,也是创新重点。中国科学院院士、中国中医科学院广安门医院主任医师仝小林表示,中医的整体观、个体化、治未病不仅是传统医学的思想精华,也对现代医学有着指导作用,两种医学相互渗透、相互影响。

“过去中医受时代条件所限,想做到对慢病患者从头到尾几十年的观察非常困难,群体性的资料则更加匮乏。现代医学对疾病发病规律的研究,以及中医近半个世纪的分科诊疗,让中医能有条件对现代的慢性病进行分期诊疗研究。”仝小林指出,中医的整体观关注到了疾病与疾病、疾病与人、人与环境之间的关系,但缺乏对疾病,尤其是慢性病发展全过程和未来态势的了解。因此,现代中医应该在目前医学诊断研究同质化的基础上,用中医的思维对现代疾病进行重新分类、分期和分证,进而构建出现代中医诊疗体系,解决古方不能治今病的困扰。

中药产业走上发展“快车道”

近年来,各部门通过不断改革优化中药监管政策、制度和措施,促进中药产业创新,我国中药产业规模和水平显著提升。

根据国家药监局发布的《2020药品监督管理统计年度报告》显示,截至2020年底,全国有效期内生产中成药的企业2160家,占全国药品生产总数28.1%,中药生产企业4357家(含中药饮片生产企业2197家),占全国药品生产企业56.7%。

从经营情况来看,营收、利润双双上扬。根据全国医药工业统计显示,2021年中成药营收4862亿元,同比增长11.2%,利润总额达755亿元,同比增长23.2%。中药饮片行业也首次迈入2000亿大关。2021年,中药饮片行业营业收入达2057亿元,同比增加13.7%,利润总额更是实现翻倍增长,达102%。

同时,中药新药研发力度不断增强。近年来,中药新药临床试验和上市申请数量均增加。数据显示,2021年,我国审评通过创新药47个,其中,12个是中药新药,包括1类创新药9个,是2020年的2.25倍;2类古代经典名方3个。同时,34个中药新药获临床试验审批,均创5年新高。

工业和信息化部消费品工业司司长何亚琼表示,工信部高度重视并积极推动中药产业高质量发展。2022年初发布的《“十四五”中医药发展规划》为今后5年中药产业发展指明方向。将通过多种方式对中医药生产基地建设、中医药大品种先进制造、中药产业公共服务平台搭建等给予技术支持。

“今年工信部首次专门设立中药全产业链中药技术平台研究方向。”何亚琼说,下一步将继续加大对中药产业的扶持力度,主动服务中药企业,支持中药龙头企业做大做强,提高中药产业集群发展水平,同时严格要求企业承担主体责任,从源头上牢守中药质量安全底线。

徐景和说,推进中药守正创新,既要充分尊重中医药几千年的经验积累,加快推动古代经典名方向优质中药制剂转化,还要进一步拓宽思路和方法,积极开展有效促进中药新药研发和产业发展的研究与实践。要深化构建符合中药特点的审评审批体系,深入开展中药监管科学研究,加强监管能力建设,推进医、产、学、研、监一体化,支持中药新药研发和高质量制造。

“中药传承创新发展是一项系统工程,需要全盘布局、系统谋划、多方参与,整体推进、有序落实。”徐景和表示,要充分发挥专家咨询作用,深入研判中药高质量发展面临的痛点、堵点、难点,及时调整完善相关政策,不断提升政策的前瞻性和指导性。要加强各方信息交流互动,做好政策宣传解读和引导工作,凝聚中药传承创新发展强大合力,激发中药事业发展活力。


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