希望風(fēng)電行業(yè)的奮斗者們專注于學(xué)問和技術(shù)，在專注中成就自己的未來。

 

 

受訪人:中國工程院院士 周緒紅

 

我國風(fēng)電工程建設(shè)規(guī)模大、分布廣，無論是陸上風(fēng)電，還是海上風(fēng)電，高性能、低成本的支撐結(jié)構(gòu)(包括塔架和基礎(chǔ))，是大幅降低制造、運(yùn)輸、建造成本，提高發(fā)電效率的有效途徑。中國工程院院士周緒紅長(zhǎng)期致力于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的科學(xué)研究、人才培養(yǎng)和工程實(shí)踐，他對(duì)風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的理論研究成果已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。他表示，要將在建筑、橋梁工程的經(jīng)驗(yàn)和方法引入風(fēng)電領(lǐng)域，推動(dòng)風(fēng)電行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

 

Q:近日，基于您的研究理論，全球首臺(tái)165米級(jí)輪轂高度預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土格構(gòu)式塔架樣機(jī)在山東德州投入使用。請(qǐng)問這一理論是基于現(xiàn)實(shí)中存在的哪類問題提出的?適用于哪種類型的風(fēng)電機(jī)組?在效率上將實(shí)現(xiàn)哪些提升?

 

A:目前，我國陸上風(fēng)電面臨單機(jī)容量不斷增大、輪轂高度顯著提升、葉片長(zhǎng)度持續(xù)增加等趨勢(shì)，塔架結(jié)構(gòu)是保障風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵。風(fēng)電機(jī)組的輪轂高度超過160米后，傳統(tǒng)塔架結(jié)構(gòu)的尺寸和重量大、綜合成本高，已難以適用。結(jié)合鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，我們提出了一種新型風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土格構(gòu)式塔架。它將塔架整體的受彎模式轉(zhuǎn)化為角部構(gòu)件軸向受力模式，能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土柱的高抗壓承載力。

 

預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土格構(gòu)式塔架下部受力較大區(qū)域?yàn)殇摴芑炷粮駱?gòu)柱，由四根鋼管混凝土角柱和交叉斜向空鋼管焊接而成，鋼管混凝土角柱中施加豎向通長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力筋；上部受力較小區(qū)域仍然采用傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)塔筒。由于各桿件主要承受軸向力，可充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，在角柱中施加預(yù)應(yīng)力可有效避免其受拉時(shí)鋼管內(nèi)混凝土的開裂問題。

 

正是因?yàn)樯鲜龅膬?yōu)點(diǎn)，這種塔架非常適合超高輪轂高度、大容量風(fēng)電機(jī)組。由于該塔架全部采用裝配化建造方式，各構(gòu)件均在工廠或現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。因此，相比于傳統(tǒng)低輪轂高度塔架，預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土格構(gòu)式塔架不僅會(huì)帶來發(fā)電效率的提升，在設(shè)計(jì)、加工、運(yùn)輸、安裝等各環(huán)節(jié)均能顯著提高效率。

 

可以預(yù)見的是，在未來葉片超長(zhǎng)、塔筒超高、機(jī)組大容量發(fā)展的趨勢(shì)下，如陸上10兆瓦以上、海上20兆瓦以上機(jī)組，180米甚至200米以上輪轂高度，預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土格構(gòu)式塔架在受力效率、材料用量、工業(yè)化建造程度、供應(yīng)鏈體系等方面都具有更大的優(yōu)勢(shì)，可大幅降低風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)建設(shè)成本，有效促進(jìn)陸上低風(fēng)速高切變區(qū)域風(fēng)能資源的高效利用。

 

Q:作為我國著名的結(jié)構(gòu)工程專家，您認(rèn)為我國風(fēng)電工程建設(shè)，包括不同地質(zhì)條件下的海上風(fēng)電施工，目前存在哪些難點(diǎn)，如何能更好地實(shí)現(xiàn)降本增效?

 

A:目前，我國風(fēng)電工程建設(shè)規(guī)模大、分布廣，無論是陸上風(fēng)電建設(shè)，還是海上風(fēng)電建設(shè)，普遍存在的難點(diǎn)是如何研發(fā)出高性能、低成本的支撐結(jié)構(gòu)(包括塔架和基礎(chǔ))。針對(duì)不同的風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境和不同的地質(zhì)條件，風(fēng)電工程建設(shè)中存在的難點(diǎn)不盡相同：

 

陸上規(guī)模化裝機(jī)區(qū)域逐漸向中東部低風(fēng)速區(qū)轉(zhuǎn)移，為在低風(fēng)速區(qū)獲得更高的發(fā)電效率，需要大幅提升輪轂高度、單機(jī)容量和葉片長(zhǎng)度，這也大幅增加了塔架的設(shè)計(jì)、制造和施工難度。

 

陸上風(fēng)電塔架的預(yù)制構(gòu)件尺寸受到公路運(yùn)輸限高、限寬的限制，導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件數(shù)量及連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，降低了塔架安裝施工效率。如何在滿足公路運(yùn)輸限制條件下，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件尺寸、提高安裝施工效率是目前的難點(diǎn)。

 

“沙戈荒”地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)正處于開發(fā)起步階段，其建設(shè)主要面臨極端氣候和地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)。如何解決季節(jié)溫差、晝夜溫差對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的影響，如何解決風(fēng)沙對(duì)塔架的腐蝕問題，以及如何考慮沙漠土壤較低的地基承載力是目前的難點(diǎn)。

 

嚴(yán)寒地區(qū)風(fēng)電建設(shè)主要受極寒天氣限制，使得現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)無法進(jìn)行且降低施工效率。如何提高嚴(yán)寒地區(qū)施工安裝效率，以及如何解決凍融環(huán)境條件對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的影響是目前的難點(diǎn)。

 

隨著風(fēng)電開發(fā)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，高烈度地震區(qū)域也有部分風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，這對(duì)塔架的抗震性能提出了更高要求。目前，國內(nèi)尚無系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。因此，如何提高不同類型塔架結(jié)構(gòu)的抗震性能，并建立系統(tǒng)的塔架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論，是目前需要重點(diǎn)突破的難點(diǎn)。

 

海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用傳統(tǒng)迭代設(shè)計(jì)方法，整機(jī)商和設(shè)計(jì)方的分布迭代設(shè)計(jì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果不經(jīng)濟(jì)且設(shè)計(jì)效率低下。如何形成高效的海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法是目前的難點(diǎn)。

 

近年來，漂浮式基礎(chǔ)逐漸被應(yīng)用于深遠(yuǎn)海區(qū)域海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。然而，現(xiàn)有漂浮式基礎(chǔ)均采用純鋼結(jié)構(gòu)，用鋼量大、成本高。如何引入新材料和新結(jié)構(gòu)形式以降低漂浮式基礎(chǔ)成本、提高其受力性能，從而實(shí)現(xiàn)漂浮式基礎(chǔ)的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，是目前的難點(diǎn)。

 

因?yàn)樯鲜鲭y點(diǎn)的存在，現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造與施工過程中通常采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并采用較為保守的設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致綜合成本較高。如果想要更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電工程建設(shè)的降本增效，則應(yīng)在充分考慮建設(shè)環(huán)境、建設(shè)條件的前提下，引入新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計(jì)理論，以突破上述難點(diǎn)問題，進(jìn)一步優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，降低制造與建造成本，大幅提升風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。

 

Q:在大容量機(jī)組的開發(fā)上，中國已處于領(lǐng)先地位。未來在面向18兆瓦以上的更大機(jī)組，以及漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，在技術(shù)和施工上面臨著哪些挑戰(zhàn)?

 

A:在當(dāng)前的大容量機(jī)組發(fā)展趨勢(shì)下，漂浮式基礎(chǔ)大多為純鋼結(jié)構(gòu)，其綜合成本較高，需要進(jìn)一步創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式。例如，對(duì)于采用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的形式，由于混凝土結(jié)構(gòu)的材料成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)可大幅降低漂浮式基礎(chǔ)的成本。

 

在技術(shù)方面，漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)與風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)間存在流固耦合效應(yīng)，風(fēng)電機(jī)組荷載與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)間也存在相互影響，仿真模擬難度大。另外，混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞設(shè)計(jì)方法亟待完善。

 

在施工方面，國內(nèi)純鋼結(jié)構(gòu)漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)目前已有相關(guān)工程案例可參考，但基于鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的漂浮式基礎(chǔ)仍停留在初步方案設(shè)計(jì)階段，大型混凝土結(jié)構(gòu)的制造、運(yùn)輸、安裝的難度較大，因此，其規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用面臨較大挑戰(zhàn)。

 

Q:風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)有哪些需要改進(jìn)的地方?在風(fēng)電領(lǐng)域，您重點(diǎn)想解決哪一類難題?

 

A:近年來，我國風(fēng)能能源開發(fā)提速明顯，單機(jī)容量、輪轂高度和葉片長(zhǎng)度的持續(xù)增加，降低了風(fēng)電全生命周期的度電成本，但對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提出了更高的要求。支撐結(jié)構(gòu)是保障風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵，目前我國大型風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)自主創(chuàng)新體系缺失、設(shè)計(jì)理論不完善，導(dǎo)致工程事故頻發(fā)、經(jīng)濟(jì)損失巨大，成為制約風(fēng)電行業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要問題。我們團(tuán)隊(duì)在建筑、橋梁的結(jié)構(gòu)基本性能和計(jì)算方法等方面已取得豐碩成果，在建筑、橋梁領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)非常適合提升大型風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能并降低綜合成本，我們希望將相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和方法引入風(fēng)電領(lǐng)域，來推動(dòng)風(fēng)電行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

 

未來，我們將進(jìn)一步開展海上風(fēng)電固定式支撐結(jié)構(gòu)與漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系研發(fā)，突破一體化分析理論及設(shè)計(jì)方法等瓶頸，持續(xù)推動(dòng)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)在風(fēng)電工程中的應(yīng)用，助力我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從陸地走向海洋、從近淺海邁向深遠(yuǎn)海。

 

Q:經(jīng)過數(shù)年鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的理論創(chuàng)新研究和體系研發(fā)，您認(rèn)為，如何做才能將產(chǎn)業(yè)需求與科研創(chuàng)新緊密地結(jié)合起來?

 

A:鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)具有受力性能優(yōu)越、建造效率高、綜合成本低等特點(diǎn)，擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)已在我國多個(gè)建筑工程、橋梁工程、風(fēng)電工程中得到應(yīng)用。從我自己多年的科研實(shí)踐、與企業(yè)的交流合作經(jīng)驗(yàn)來看，目前我國基礎(chǔ)研究發(fā)展迅速，但在推動(dòng)基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)前沿融合，將成果轉(zhuǎn)化為實(shí)踐應(yīng)用方面仍然存在不足。長(zhǎng)久以來，我國堅(jiān)持校企合作的模式，企業(yè)在生產(chǎn)實(shí)踐中提出產(chǎn)業(yè)需求，高校通過研究工作找尋創(chuàng)新方案。然而，基層科研人員可能缺乏對(duì)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐的深刻認(rèn)識(shí)，企業(yè)又忙于生產(chǎn)，很多時(shí)候缺乏對(duì)于研究的投入。這使得科研創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)需求不能實(shí)現(xiàn)很好的對(duì)接。

 

對(duì)此，有幾條建議：一、出臺(tái)更多鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研合作的政策與措施，加大科研創(chuàng)新在實(shí)踐中應(yīng)用的獎(jiǎng)勵(lì)力度；二、鼓勵(lì)高校的基層科研人員多到企業(yè)去開展實(shí)踐調(diào)研，切實(shí)摸清產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和技術(shù)瓶頸，對(duì)接企業(yè)的研究需求；三、企業(yè)積極成為創(chuàng)新主體，創(chuàng)新產(chǎn)學(xué)研合作模式，加大基礎(chǔ)科研的投入，并吸引科研人才加入，激發(fā)自身創(chuàng)新活力。

 

Q:作為曾經(jīng)擔(dān)任國內(nèi)多所大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的教育工作者，您對(duì)當(dāng)代青年的成長(zhǎng)常有肺腑之言。請(qǐng)您對(duì)風(fēng)電行業(yè)的奮斗者，或者即將走入風(fēng)電領(lǐng)域的年輕人說幾句。

 

A:發(fā)展風(fēng)電，是緩解國家能源供需矛盾、減輕環(huán)境污染的重要途徑。可以預(yù)見，我國風(fēng)電需求在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還將處于快速增長(zhǎng)期，對(duì)創(chuàng)新型人才的需求量很大。希望風(fēng)電行業(yè)的奮斗者們專注于學(xué)問和技術(shù)，在專注中成就自己的未來，以國家需要為己任，抓住時(shí)代機(jī)遇，為解決風(fēng)電行業(yè)發(fā)展中的技術(shù)難題發(fā)揮重要作用，促進(jìn)我國風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)國家清潔能源發(fā)展，保障國家能源安全，在黨和國家的事業(yè)發(fā)展中實(shí)現(xiàn)自己的價(jià)值。