当我国的海优势电走向深远海，固定式的制作本钱会忽然升高。因而，咱们需求挑选漂浮式的配备类型。咱们用几根“大绳子”把风车和浮体衔接到海里，研发出了全球首台抗飓风型漂浮式海优势电机组…
出品：格致论道讲坛
以下内容为华南理工大学船只与海洋工程系副主任樊天慧讲演实录：
咱们好，我是樊天慧，来自华南理工大学。很侥幸来到格致论道讲坛，和咱们共享我的科研故事：《海优势电，劲风刮来的清洁动力》。
我的家在东北，在咱们那儿有句俗话叫做：没有人的钱是劲风刮来的。小时分的我十分笃信这句话，觉得这句话简直是真理，没有任何问题。
直到长大后，我进入了海优势电这个职业，才发现有的时分需求打破认知：劲风不只能刮来钱，还能刮来名贵的清洁动力。
今日我就在这儿跟咱们共享一下，我和海优势电的缘分故事。
一颗海优势电的种子
2005年，我进入大连理工大学工程力学系开端本科学习。
▲ 左：土木修建
中：航空航天
右：海洋工程
工程力学是许多工程的根底，因而我的同学后来有的进入了土木修建职业，有的从事航空航天职业，当然也有的从事海洋工程职业。
2008年，我保送至欧进萍院士团队，开端从事深远海油气渠道研发的作业。关于大部分人来讲，或许海岸便是陆地的止境，可是关于咱们海洋工程人来讲，海岸仅仅是国际的开端。
2009年，我第一次来到海南，第一次看到了南海。在这次旅途中，我不只看到了海洋油气渠道，也看到了许多站立在山间的劲风车。海滨的劲风和这些劲风车引起了我的爱好，让我对风电这个职业发生了稠密的猎奇。
通过调研，我发现其时陆优势电的开展十分敏捷，海优势电也现已正式提上议事日程，可是实在的海优势电还没有成功制作。通过比较陆优势电和海优势电，咱们以为相关于陆优势电，海优势电还有一些天然的优势。
比方海上的风更大，咱们都有这个直观的形象；并且海面是比较平整的，风的质量更好。遭到修建、地势、山峦的影响，陆地上的风会变小，且风的质量会变差，更不简单用来发电。
并且咱们都知道，陆地的资源是十分稀缺且名贵的，可是海上的面积相对陆上来讲，就没有那么的稀缺，它的面积仍是十分宽广的。
由于上述几种原因，陆优势电大部分会集在西北、中部区域，离咱们东南滨海这些用电大省、消纳中心十分远。
假如想要将中西部的电运送到东南滨海，需求通过长间隔的运送和传输，会发生很大的电量耗费。因而其时我就判别，风电工业未来必将走进海洋。
回到校园，日子还要持续，科研还得尽力，因而海优势电这个事儿现已被我抛至脑后。
直到2014年，我成婚到海南度蜜月，旧地重游，才又一次想起了海优势电，在心里早已埋下的种子开端生根发芽。
这一次的旅程中，我发现陆上的劲风车变得越来越多了，而海上也有了劲风车。这让我感到十分惊喜和惊讶。
我又专门去找了相关材料，发现在2010年，东海大桥风电项目正式投产运营，完结了我国近海固定式风电项目的零的打破。而在全国际的规划中，欧洲现已首要建成了全球第一个漂浮式风力发电的演示样机。
其时我的心境很激动，也很慨叹。激动的是，我本来想着风电必定要走向海洋，它现已完结了。慨叹的是，我其时所从事的职业是深远海油气工程。油气工程的开展是由陆上到海洋，由近海到深海；而海优势电开展的进程与其有着惊人的类似，都是从陆上到海洋，从近海到深海。
近海的大陆架区域，它的资源是有限的；而从理论上讲，深远海区域的资源是近乎无限的，它的远景十分宽广。
一同，深远海区域的风更大、质量更好，咱们能够使用更大容量的风力机进行发电。别的，深远海没有近海视觉遮盖的问题，并且对噪音的束缚也更小。
比较近海的风电与深远海的风电，显着深远海区域未来风电的开展潜力更大，未来我国的海优势电必定会走向深海远洋。
“深远海漂浮式风电”和“金刚罩”
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那么，走向深远海之后，咱们还能不能使用本来固定式的这种办法来开发风能资源呢？答案是否定的。
通过上图咱们能够看到：跟着水深的添加，固定式（左边两种）的制作本钱会忽然升高，上升得十分快，呈指数性添加（赤色和蓝色曲线）。
而漂浮式的配备类型（右侧三种）就不会呈现这个问题：它对水深并不灵敏，跟着深度的添加，本钱的升高是一个缓慢的、线性的改变进程（绿色曲线）。
因而咱们以为，在水深超越50米之后，漂浮式必定是开发风能资源的首要办法，这也是为什么漂浮式风电必定会兴起的原因，咱们以为它是我国海优势电走向深远海的必经之路。
2016年，我博士结业，其时我心中海优势电的种子现已开端开花成果。我下定决心，必定要投入到海优势电这个职业中来。
所以，我当机立断南下，来到广州，来到华南理工大学，来到这个南海周围的城市，把一切的科研精力、科研根底和科研方向全部都转移到海上漂浮式风电这个方向上来。
通过2016年、2017年的尽力，在2018年，咱们获批了一个十分重要的项目——海上浮式风电渠道全耦合动态剖析及其设备研发。这个项目的中心使命和方针便是要研发我国第一台漂浮式海优势力发电体系配备并进行使用演示。
使命和方针现已确认了，咱们接下来要撸起袖子加油干。要做好漂浮式的开发，必定要清晰固定式和漂浮式之间有什么实质的差异。
固定式就像一只两脚站立的土木修建，它深深地扎入到海底，只遭到风和波涛的效果。它更像咱们常见的陆上修建物，在反抗风和波涛的进程中，依托的是结构的变形。它相当于修炼了金钟罩、铁布衫的功夫：任尔东西南北风，我自纹丝不动。
当然风和波涛也构成了很大的压力：就算你会金钟罩、铁布衫，拳头打在身上，它也疼啊。这也便是为什么跟着水深的添加，固定式风电的本钱会上升得这么快的原因。
而漂浮式是别的一种办法的结构：它由一个漂浮的浮体撑起了风车和浮体本身的分量，然后用锚泊体系，即图中的几条大绳子衔接到海里。
漂浮式全体的体系都是十分柔韧的：波涛过来了，浮体就摇一摇；风吹过来的时分，在绷簧也便是在几条大绳子的牵引下动一动，这样以本身的运动来反抗外部的风和波涛力的效果。就相当于修炼的是太极功夫，考究的是卸力。
尽管风过来了，我被推走了、被打走了，可是身子就不疼，这也是为什么漂浮式这一办法跟着水深的改变，本钱添加并不显着的原因。
水中“不倒翁”的隐秘
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知道了机理和要求，咱们现在要开端进行一些规划作业。
首要咱们要规划下边的大浮体。咱们方才也看到了，漂浮式海优势电便是典型的“虎头蛇尾”，看起来很简单倒。并且它本身一向是漂浮在水面上的，咱们要保证它有满足的排水量，供给满足的浮力，这样才干把全体的风车和本身撑在水面上。
大的浮力才有调理的空间，才干让本身具有抗摇晃才干。怎样规划它的抗摇晃才干呢？咱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”的标准越大、淹没在水中的深度越深、它们之间的间隔越长，它抗摇晃的才干就越强。
那是不是抗摇晃的才干越强，功能就越好？当然是否定的。假如它抗摇晃的才干太强，就会和波涛力发生一个共振，这样会构成剧烈的运动，导致结构损坏。
因而，咱们既要让它具有比较优异的抗摇晃才干，又不能强到与波涛力发生共振。通过团队的辛勤作业和斗争，咱们终究定格了漂浮式根底的形状，就和图中所示的相同。
▲ 红圈即需求研发的“大绳子”
规划好了浮体，下面咱们要规划这几条大绳子，也便是锚泊体系。漂浮式风电究竟需求什么样的大绳子？答案是“软硬适中”。
这条大绳子就像绷簧相同束缚着咱们的浮体运动，假如它太硬了，相当于没有绷簧卸力的效果，它仍是简单遭到损坏。
那把这条大绳子变得软一点，是不是就没有问题了？也不是，它的水平方向或许会和波涛力发生共振运动。
所以咱们要把它变得更软一点。可是变得更软，也会发生一个问题：绳子越软，渠道被吹出去漂移的间隔就越远，这样电缆或许就会被损坏了。所以电缆也是操控绳子能有多软的关键因素。咱们既要保证全体的绳子满足软，又不能让电缆被损坏，这便是规划大绳子的规范要求。
知道了规范要求后，咱们要开端规划大绳子，首要要搞清楚它的机理。
尽管咱们把它幻想成一个绷簧，但它不是一个实在的绷簧，它是一个十分杂乱的体系。绳子的长度、形状、安置办法，包含原料、分量、直径都对全体绳子的软硬有十分大的影响。
咱们从右侧这幅图中能够看出，绷簧是线性的一条直线，可是大绳子是十分杂乱的，是一向改变的一条曲线。那么这样杂乱的体系，咱们怎样样才干完结规划？实际上从全球规划来看，现在没有一个专业的商业软件能完结这项作业。
咱们需求一位十分有经历的工程师，先挑选一条大绳子，然后再不断地试错、改善，终究规划出来一个十分好的绳子。
而这些进程都是十分保密的，比方咱们要向外国买一个大绳子的规划，他会给咱们一个还不错的终究成果。中心是怎样调整的，为什么这么选，是没有人告知咱们的。
为了处理这个卡脖子的问题，咱们专门研发了一个软件，它能够用计算机主动为咱们寻觅一个好的大绳子的规划方案。
▲ 左：长度；形状；安置办法
右：原料 直径 分量
这个软件能够直接输出绳子的长度、形状、安置办法；并且能确认绳子的原料、直径以及分量。这就完结了整个大绳子需求的一个规划。
“披荆斩棘”的海优势电
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规划好了咱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？由于海优势电的制作本钱十分高，危险也大。咱们规划好之后，需求通过具体的验证，终究才干开工、施工和制作。
▲ 风+波涛两层影响
做试验的进程中，咱们必定要严厉考虑风和波涛的两层影响，为什么？由于在波涛的效果下，渠道就会开端摇晃，带动上面的风车也开端摇晃，这样风力就会发生一个比较杂乱的改变。
风和波涛的联合耦合的影响，才干决议终究结构的安全，决议发电功率等一系列的问题。因而咱们必须在模型试验的进程中，一同考虑风和波涛的两层影响。
▲ 试验室模型缩尺试验
模型试验是什么意思？便是把左图中那么大的咱们伙，等比例缩小成试验室能够放下的这么小的小东西。当然缩尺的时分要参照必定的准则。
咱们依照几许标准等比例缩小之后，会发现波涛力是精确地模仿了，可是风力由黏性力为主导，要遵从另一种等效的准则，不然风力就会发生一个改变。
假如咱们直接依照几许标准等比例缩小，就会构成图中赤色的曲线。但实际上咱们终究要求的是上边黑色的实线，它们距离仍是很大的。
因而，咱们提出了一种新的试验室标准的风机叶片的模型规划办法。通过这套办法，咱们能够保证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契合方针值，做到风的推力类似。能够说，这项技能在现在的国际规划内都是比较先进的。
规划好了，咱们要开端试验了。上图展现的是咱们做模型缩尺试验的一个日常发电的试验。
咱们能够看到，风车这个时分是在不断旋转的，而全体渠道的运动状况十分安稳。这便是实在的海域中，咱们的风机渠道在正常发电时的运动状况。
这个试验是咱们模仿飓风来袭时全体渠道运动的状况，咱们能够看到，这个时分风车现已中止了滚动。
为什么会这样呢？由于假如在飓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、全体结构和大绳子都会发生巨大的冲击，带来结构的安全问题。
因而在飓风工况下，咱们会中止旋转，把风车确定。咱们能够看到，这时大绳子和整个浮体的运动会变得愈加剧烈。
通过模型试验，咱们验证了之前规划的浮体、大绳子、整套体系都是没有问题的。那么接下来，咱们就要进入施工制作的环节中，一同来看一下施工中的视频片段。
首要，咱们把浮体的各个分段进行吊装和搭载，组成一个完好的浮体。拼装完结之后，就要进行拖航，咱们要把拼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。然后使用拖船把浮体拖到和风车衔接的码头。
浮体抵达吊装的码头后，便要拼装劲风车。紧接着就要吊装塔筒，塔筒吊装结束，咱们要把风车衔接到塔筒之上。浮体、塔筒和风车衔接到一体之后，再把它们一体化拖航到咱们海优势电厂的就位方位。
抵达就位方位之后，要做的是把咱们本来规划好的、现已加工好的、在位的大绳子衔接到浮体之上。就位装置便是把大绳子衔接到浮体的进程。
终究，2021年12月，全球首台抗飓风型海优势力发电体系配备“三峡引领”号成功地并网发电了，单台机组每小时满发电量能够到达5500度，每年可为3万户家庭供给绿色的清洁动力。
未来单个海上漂浮式风电场的规划或许到300-500兆瓦，每小时满发电量能够到达30-50万度，每年可为150-300万户家庭供给绿色的清洁动力。
广东是用电大省，它的电能许多来自于西电东送。假如未来能够大规划地制作海上漂浮式风电场，我想这或许在很大程度上处理广东用电依靠的难题和困境，一同也为祖国的碳中和、完结双碳方针供给一些助力和支撑。
回忆这几年的作业，在整个项目团队的精诚合作和联合尽力下，咱们完结了我国首台漂浮式风力发电体系配备的研发和使用演示，一同这也是全球首台抗飓风型机组，咱们把不或许变成了或许。
期望咱们都活跃投身海优势电工作，都有把不或许变成或许的勇气。
以上是我的共享，感谢咱们的倾听！
“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于特殊思维的跨界传达，旨在以“格物致知”的精力讨论科技、教育、日子、未来的开展，由我国科学院计算机网络信息中心和我国科学院网络安全与信息化办公室主办，我国科普饱览(我国科学院科普云渠道)供给技能支撑。
