当中国海上风电走向深海，固定建设成本会突然上升。因此，我们需要选择浮动类型的设备。我们用几根“大绳”把风车和浮体连接到海上，研制出世界上第一台抗台风的漂浮式海上风力发电机…
出品:格致话语论坛
以下是华南理工大学船舶与海洋工程系副主任范天辉的实录。
大家好，我是华南理工大学的范天辉。很荣幸来到格致话语的论坛，和大家分享我的科研故事:海上风电，来自强风的清洁能源。
我家在东北，我们那有句话，谁家的钱都不是大风刮来的。小时候很相信这句话，觉得简直就是真理，没有任何问题。
直到长大后进入海上风电行业，才发现有时候需要突破自己的认知:大风不仅能带来金钱，还能带来宝贵的清洁能源。
今天，我在这里和大家分享我与海上风电的缘分故事。
海上风力发电的种子
2005年进入大连理工大学工程力学系，开始本科学习。
▲民用建筑航空空航天海洋工程
工程力学是很多项目的基础，所以我的同学后来有的进入了土木建筑行业，有的从事航空空航天行业，当然也有的从事海洋工程行业。
2008年，我被派到欧院士的团队，开始从事深水海洋油气平台的研发工作。对于大多数人来说，海岸可能是陆地的尽头，但对于我们这些海洋工程师来说，海岸只是世界的开始。
2009年，我第一次来到海南，第一次看到了南海。在这次旅行中，我不仅看到了海上油气平台，还看到了许多矗立在群山中的大风车。海边的强风和这些风车引起了我的兴趣，让我对风电行业充满了好奇。
我调查后发现，当时陆上风电发展非常迅速，海上风电也正式提上日程，但真正的海上风电还没有成功建成。
与陆上风电相比，海上风电有一些天然优势。
比如海上的风比较大，大家都有这个直观的印象；而且海面比较平坦，风力质量较好。受建筑物、地形和山脉的影响，陆地上的风力会变小，风力质量变差，发电难度加大。
而且众所周知，陆地资源是非常稀缺和珍贵的，但是海域面积相对于陆地面积来说并没有那么稀缺，它的面积还是非常广阔的。
由于上述原因，陆上风电大部分集中在西北和中部地区，远离我国东南沿海的用电中心和省份。
如果要把中西部的电输送到东南沿海，需要远距离输送和输电，会造成很大的电力消耗。所以当时我就判断风电行业未来一定会进入海洋。
回到学校，生活还要继续，科研还要努力，所以海上风电已经被我淡忘了。
直到2014年，我结婚去海南度蜜月，故地重游，我再次想起海上风电，早已埋在心里的种子开始生根发芽。
在这次旅行中，我发现陆地上的风车越来越多，海上也有风车。这让我感到非常惊讶和惊叹。
我去查阅了相关资料，发现2010年东海大桥风电项目正式投产，实现了中国海上固定风电项目零的突破。在世界范围内，欧洲已率先建成世界首个漂浮式风力发电示范样机。
当时我很激动，情绪也很激动。兴奋之余，原本以为风电一定要去海洋，现在已经实现了。可悲的是，我当时从事的行业是深水油气工程。油气工程的发展是从陆地到海洋，从近海到深海；海上风电的发展与其惊人的相似，从陆地到海洋，从近海到深海。
近海大陆架地区，其资源有限；从理论上讲，远海区的资源几乎是无限的，它的前景非常广阔。
同时，远海海域风力更强，质量更好，可以使用更大容量的风力发电机发电。另外，远海没有近海视觉屏蔽的问题，噪音限制更小。
对比海上风电和近海风电，很明显未来近海区域的海上风电有更大的发展潜力，未来中国海上风电一定会深入海洋。
“深海漂浮风力”和“金刚罩”
完成:30%//////////
那么，到深海之后，还能不能用原来固定的方式开发风能资源呢？答案是否定的。
从上图可以看出，随着水深的增加，固定建设成本会突然上升，而且上升的非常快，呈指数级增长。
而浮式的设备就不会有这个问题:对水深不敏感，随着水深的增加，成本的增加是一个缓慢的线性过程。
所以我们认为水深超过50m后，漂浮风电一定是开发风能资源的主要形式，这也是漂浮风电一定会兴起的原因。我们认为这是中国海上风电走向远海的必由之路。
2016年，我博士毕业的时候，心里的海上风电的种子已经开始开花结果了。我决定投资海上风力发电产业。
于是，我毅然南下广州，华南理工大学，这座南海之滨的城市，把自己所有的研究精力、研究基础、研究方向都转移到了海上漂浮风力发电上。
经过2016年和2017年的努力，2018年，我们被批准了一个非常重要的项目——海上浮动风力发电平台全耦合动力分析及其装置的研发。这个项目的核心任务和目标是开发中国第一个漂浮式海上风力发电系统并演示其应用。
而且任务已经确定。接下来，我们要卷起袖子努力工作。要做好浮动型的开发，必须搞清楚固定型和浮动型的本质区别。
就像两足站立的民用建筑，固定结构深入海底，只受风浪影响。它更像我们常见的陆地建筑。在抵抗风浪的过程中，依靠的是结构变形。相当于修炼了一个金钟罩和一件铁布衫的功夫:无论什么东西南北风，我都不动。
当然，风浪也造成了很大的压力:哪怕你知道一个金钟罩，一件铁布衫，把拳头打在身上，都疼。这也是为什么固定风电的成本会随着水深的增加而上升的如此之快。
浮式结构是另一种结构:它通过一个漂浮的浮体来支撑风车和浮体本身的重量，然后通过一个锚定系统，也就是图中的几根大绳，连接到海面上。
整个浮体系统非常灵活:波浪来的时候，浮体晃动；风一吹，它就在弹簧的牵引下运动，也就是几根大绳，这样它就可以靠自己的运动来抵抗外界的风浪力。相当于练太极功夫，讲究卸力。
虽然风来了，我被推开被打走了，但是我的身体没有受伤，这也是为什么浮式的成本增加并不随着水深的变化而明显。
水中“不倒翁”的秘密
完成:50%/////////
了解了机制和要求，我们现在应该开始一些设计工作。
首先我们要设计下面的大浮体。刚才大家也看到了，漂浮式海上风电是典型的“头重脚轻”，看起来很容易掉下来。而且它总是浮在水面上，我们要保证它有足够的排水量，提供足够的浮力，这样才能支撑整个风车和它自己在水面上。
浮力大了才能调空室，才能有抗晃动的能力。如何设计它的防抖能力？我们要尽量降低重心，把浮心上移，在水中造一个“不倒翁”。水中“大柱”的尺寸越大，在水中浸没的越深，两者之间的距离越长，其抗晃动能力就越强。
抗抖能力越强性能越好是真的吗？当然不会。如果其抗晃动能力太强，会与波浪力产生共振，引起剧烈运动，导致结构破坏。
所以要让它有优秀的防抖能力，但又不至于强到和波浪力共振。经过团队的努力和奋斗，我们终于固定了浮动基础的形状，就像图中所示的那样。
▲红圈是待开发的“大绳”。
设计完浮体，我们就要设计这些大绳，也就是系泊系统。漂浮风力发电需要什么样的大绳？答案是“硬度适中”。
这条大绳就像一根弹簧，约束着我们浮体的运动。如果太硬，相当于没有弹簧卸载力，还是容易损坏。
然后把这根大绳弄软一点，就没问题了吗？不会，它的水平方向可能会和波浪力产生共振。
所以我们必须让它更柔软。但是变软也会产生一个问题:绳子越软，平台被吹出的距离越远，漂移的距离越大，这样可能会损坏缆绳。所以缆绳也是控制绳子能有多软的关键因素。我们要保证整绳足够软，不能损伤缆绳，这是设计大绳的标准要求。
知道了标准的要求，就要开始设计大绳，先了解它的机理。
虽然我们认为它是一个弹簧，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、排列，包括材质、重量、直径，对整条绳子的硬度都有很大的影响。
从右图可以看出，弹簧是一条线性的直线，但是大绳很复杂，是一条不断变化的曲线。如何才能完成如此复杂系统的设计？事实上，从全球范围来看，目前还没有一个专业的商业软件能够完成这项工作。
我们需要一位非常有经验的工程师。首先，我们选择一根大绳，然后我们不断尝试和改进，最后我们设计出一根非常好的绳子。
而且这些过程都是非常保密的。比如我们想买一个外国的大绳设计，他会给我们一个很好的最终结果。没人告诉我们是怎么调整的，为什么选它。
为了解决这个问题，我们专门开发了一个软件，可以通过计算机自动为我们找到一个好的大绳设计方案。
▲左:长度和形状排列
右图:材料直径重量
这个软件可以直接输出绳子的长度、形状和排列；还有绳索的材料、直径和重量。这就完成了整个大绳所需的设计。
海上风电“乘风破浪”
完成:70%//////////
我们已经设计好了我们的大浮体和大绳，现在要验证了。
为什么要验证？因为海上风电建设成本很高，风险也很大。我们设计好之后，还需要经过详细的验证，才能开工、施工、建造。
▲风浪的双重影响
实验过程中，必须严格考虑风浪的双重影响。为什么？
因为在波浪的作用下，平台会开始晃动，上面的风车也会开始晃动，这样风就会产生更复杂的变化。
只有通过风和波浪的组合耦合，才能确定最终结构的安全性和发电效率。因此，在模型试验过程中，必须考虑风浪的双重作用。
▲实验室模型的比例试验
模型是什么意思？就是把左图的大家伙缩小到实验室能放下的这么小的东西。当然，缩放时要参考一定的原则。
我们会发现，波浪力是按照几何尺寸按比例缩小后精确模拟的，而风力是以粘性力为主，所以要遵循另一个等效原则，否则风力会产生一个变化。
如果直接按照几何尺寸缩小，就会形成图中的红色曲线。但其实我们最终要求的是上面的黑色实线，两者之间还是有很大差距的。
因此，我们提出了一种新的实验室级风扇叶片模型设计方法。通过这种方法，可以保证在整个风速范围内，或者在每个风速阶段，叶片的推力都能满足目标值，这样风的推力就差不多了。可以说这项技术目前在全世界都是比较先进的。
好了，我们要开始实验了。上图是我们做模型比例实验的一个日常发电实验。
大家可以看到，此时风车在不停的旋转，整个平台的运动状态非常稳定。这是我们风机平台在真实海域正常发电时的运动状态。
这个实验是模拟台风来袭时整个平台的运动。如你所见，此时风车已经停止转动。
为什么会这样？因为如果风车在高风速台风的情况下还在旋转，会产生巨大的风力推力，对发电机、整个结构、大绳都会产生巨大的影响，带来结构安全问题。
所以在台风条件下，我们会停止转动，锁住风车。大家可以看到，大绳和整个浮体的运动变得更加剧烈。
通过模型试验，我们已经验证了浮体、大绳以及之前设计的整个系统都没有问题。然后，我们就进入施工过程，先来看看施工中的视频片段。
首先，我们把浮体的每一节都吊起来搬运，形成一个完整的浮体。组装好之后，我们还要拖带，还要把组装好的浮体拖到半潜船上。然后，船驶进了更深的水域，半潜船沉了，剩下浮体浮在水面上。然后用拖船把浮体拖到与风车相连的码头。
浮体到达升降码头后，就要组装风车了。接下来，塔将被吊起。塔的吊装完成后，我们将把风车连接到塔上。浮体、塔架、风车连成一体后，将被拖到我们海上风力发电站的位置。
到达位置后，我们需要做的就是将我们原来设计加工到位的大绳连接到浮体上。安装就是将大绳连接到浮体上的过程。
终于在2021年12月，世界首台抗台风海上风力发电系统设备“三峡领先”成功并网发电。单台机组每小时满发电量可达5500千瓦时，每年可为3万户家庭提供绿色清洁能源。
未来单个海上浮动风电场规模可能达到300-500 MW，每小时满负荷发电可能达到30-50万kWh，每年可为150-300万户家庭提供绿色清洁能源。
广东是电大大省，大量电能来自西电东送。如果未来能够大规模建设海上漂浮风电场，我想可能会在很大程度上解决广东电力依赖的问题和困境，同时也为国家的碳中和双碳目标提供一些帮助和支持。
回顾近几年的工作，在整个项目组的精诚合作和团结努力下，我们完成了中国第一台漂浮式风力发电系统设备的研制和应用示范，这也是世界上第一台抗台风机组。我们把不可能变成了可能。
希望大家积极参与海上风电，勇于把不可能变成可能。
以上是我的分享，谢谢收听！
格致论道，原名“自我格致论道”，是中国科学院发起的一个科学文化论坛。由中国科学院计算机网络信息中心和科学传播局联合主办，中国科普博览会承办。致力于超凡思想的跨界传播，旨在以“实事求是”的精神探索科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品于微信官方账号，讨论道教的论坛。转载请注明出处微信官方账号，未经授权不得转载。
