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周绪红:优化支撑结构,大幅提升风电发电效率
2023-03-15 来源:风能专委会CWEA
 引入新材料、新结构、新技术,创新结构体系和设计理论,进一步优化支撑结构, 实现风电工程建设的降本增效。
 
希望风电行业的奋斗者们专注于学问和技术,在专注中成就自己的未来。
 
 
受访人:中国工程院院士 周绪红
 
我国风电工程建设规模大、分布广,无论是陆上风电,还是海上风电,高性能、低成本的支撑结构(包括塔架和基础),是大幅降低制造、运输、建造成本,提高发电效率的有效途径。中国工程院院士周绪红长期致力于结构工程领域的科学研究、人才培养和工程实践,他对风电支撑结构的理论研究成果已经得到广泛应用。他表示,要将在建筑、桥梁工程的经验和方法引入风电领域,推动风电行业的创新发展。
 
Q:近日,基于您的研究理论,全球首台165米级轮毂高度预应力钢管混凝土格构式塔架样机在山东德州投入使用。请问这一理论是基于现实中存在的哪类问题提出的?适用于哪种类型的风电机组?在效率上将实现哪些提升?
 
A:目前,我国陆上风电面临单机容量不断增大、轮毂高度显著提升、叶片长度持续增加等趋势,塔架结构是保障风电机组安全运行的关键。风电机组的轮毂高度超过160米后,传统塔架结构的尺寸和重量大、综合成本高,已难以适用。结合钢管混凝土结构与预应力技术的优点,我们提出了一种新型风电机组预应力钢管混凝土格构式塔架。它将塔架整体的受弯模式转化为角部构件轴向受力模式,能够充分发挥钢管混凝土柱的高抗压承载力。
 
预应力钢管混凝土格构式塔架下部受力较大区域为钢管混凝土格构柱,由四根钢管混凝土角柱和交叉斜向空钢管焊接而成,钢管混凝土角柱中施加竖向通长的预应力筋;上部受力较小区域仍然采用传统钢结构塔筒。由于各杆件主要承受轴向力,可充分发挥材料的强度,在角柱中施加预应力可有效避免其受拉时钢管内混凝土的开裂问题。
 
正是因为上述的优点,这种塔架非常适合超高轮毂高度、大容量风电机组。由于该塔架全部采用装配化建造方式,各构件均在工厂或现场标准化生产。因此,相比于传统低轮毂高度塔架,预应力钢管混凝土格构式塔架不仅会带来发电效率的提升,在设计、加工、运输、安装等各环节均能显著提高效率。
 
可以预见的是,在未来叶片超长、塔筒超高、机组大容量发展的趋势下,如陆上10兆瓦以上、海上20兆瓦以上机组,180米甚至200米以上轮毂高度,预应力钢管混凝土格构式塔架在受力效率、材料用量、工业化建造程度、供应链体系等方面都具有更大的优势,可大幅降低风电场开发建设成本,有效促进陆上低风速高切变区域风能资源的高效利用。
 
Q:作为我国著名的结构工程专家,您认为我国风电工程建设,包括不同地质条件下的海上风电施工,目前存在哪些难点,如何能更好地实现降本增效?
 
A:目前,我国风电工程建设规模大、分布广,无论是陆上风电建设,还是海上风电建设,普遍存在的难点是如何研发出高性能、低成本的支撑结构(包括塔架和基础)。针对不同的风电场环境和不同的地质条件,风电工程建设中存在的难点不尽相同:
 
陆上规模化装机区域逐渐向中东部低风速区转移,为在低风速区获得更高的发电效率,需要大幅提升轮毂高度、单机容量和叶片长度,这也大幅增加了塔架的设计、制造和施工难度。
 
陆上风电塔架的预制构件尺寸受到公路运输限高、限宽的限制,导致预制构件数量及连接节点数量多,降低了塔架安装施工效率。如何在满足公路运输限制条件下,通过结构设计优化预制构件尺寸、提高安装施工效率是目前的难点。
 
“沙戈荒”地区风电场正处于开发起步阶段,其建设主要面临极端气候和地质条件的挑战。如何解决季节温差、昼夜温差对支撑结构的影响,如何解决风沙对塔架的腐蚀问题,以及如何考虑沙漠土壤较低的地基承载力是目前的难点。
 
严寒地区风电建设主要受极寒天气限制,使得现场湿作业无法进行且降低施工效率。如何提高严寒地区施工安装效率,以及如何解决冻融环境条件对支撑结构的影响是目前的难点。
 
随着风电开发规模持续扩大,高烈度地震区域也有部分风电场建设,这对塔架的抗震性能提出了更高要求。目前,国内尚无系统的支撑结构抗震设计方法。因此,如何提高不同类型塔架结构的抗震性能,并建立系统的塔架结构抗震设计理论,是目前需要重点突破的难点。
 
海上风电支撑结构设计通常采用传统迭代设计方法,整机商和设计方的分布迭代设计导致结构设计结果不经济且设计效率低下。如何形成高效的海上风电支撑结构一体化设计方法是目前的难点。
 
近年来,漂浮式基础逐渐被应用于深远海区域海上风电场建设。然而,现有漂浮式基础均采用纯钢结构,用钢量大、成本高。如何引入新材料和新结构形式以降低漂浮式基础成本、提高其受力性能,从而实现漂浮式基础的规模化、产业化应用,是目前的难点。
 
因为上述难点的存在,现有风电机组支撑结构的设计、制造与施工过程中通常采用传统的结构形式,并采用较为保守的设计方法,导致综合成本较高。如果想要更好地实现风电工程建设的降本增效,则应在充分考虑建设环境、建设条件的前提下,引入新材料、新结构、新技术,创新结构体系和设计理论,以突破上述难点问题,进一步优化支撑结构,降低制造与建造成本,大幅提升风电机组的发电效率。
 
Q:在大容量机组的开发上,中国已处于领先地位。未来在面向18兆瓦以上的更大机组,以及漂浮式风电机组基础结构时,在技术和施工上面临着哪些挑战?
 
A:在当前的大容量机组发展趋势下,漂浮式基础大多为纯钢结构,其综合成本较高,需要进一步创新结构形式。例如,对于采用钢-混凝土混合结构的形式,由于混凝土结构的材料成本远远低于纯钢结构,预计可大幅降低漂浮式基础的成本。
 
在技术方面,漂浮式风电基础与风场、流场间存在流固耦合效应,风电机组荷载与基础结构间也存在相互影响,仿真模拟难度大。另外,混凝土结构在复杂应力状态下的疲劳设计方法亟待完善。
 
在施工方面,国内纯钢结构漂浮式风电基础目前已有相关工程案例可参考,但基于钢-混凝土混合结构的漂浮式基础仍停留在初步方案设计阶段,大型混凝土结构的制造、运输、安装的难度较大,因此,其规模化、产业化应用面临较大挑战。
 
Q:风电支撑结构有哪些需要改进的地方?在风电领域,您重点想解决哪一类难题?
 
A:近年来,我国风能能源开发提速明显,单机容量、轮毂高度和叶片长度的持续增加,降低了风电全生命周期的度电成本,但对支撑结构的力学性能提出了更高的要求。支撑结构是保障风电机组安全运行的关键,目前我国大型风电机组支撑结构自主创新体系缺失、设计理论不完善,导致工程事故频发、经济损失巨大,成为制约风电行业持续发展的主要问题。我们团队在建筑、桥梁的结构基本性能和计算方法等方面已取得丰硕成果,在建筑、桥梁领域广泛应用的钢-混凝土混合结构非常适合提升大型风电机组支撑结构的力学性能并降低综合成本,我们希望将相关经验和方法引入风电领域,来推动风电行业的创新发展。
 
未来,我们将进一步开展海上风电固定式支撑结构与漂浮式基础结构体系研发,突破一体化分析理论及设计方法等瓶颈,持续推动钢-混凝土组合结构与混合结构在风电工程中的应用,助力我国风电产业从陆地走向海洋、从近浅海迈向深远海。
 
Q:经过数年钢-混凝土混合结构的理论创新研究和体系研发,您认为,如何做才能将产业需求与科研创新紧密地结合起来?
 
A:钢-混凝土混合结构具有受力性能优越、建造效率高、综合成本低等特点,拥有广阔的应用领域,现已在我国多个建筑工程、桥梁工程、风电工程中得到应用。从我自己多年的科研实践、与企业的交流合作经验来看,目前我国基础研究发展迅速,但在推动基础研究与产业前沿融合,将成果转化为实践应用方面仍然存在不足。长久以来,我国坚持校企合作的模式,企业在生产实践中提出产业需求,高校通过研究工作找寻创新方案。然而,基层科研人员可能缺乏对产业实践的深刻认识,企业又忙于生产,很多时候缺乏对于研究的投入。这使得科研创新和产业需求不能实现很好的对接。
 
对此,有几条建议:一、出台更多鼓励产学研合作的政策与措施,加大科研创新在实践中应用的奖励力度;二、鼓励高校的基层科研人员多到企业去开展实践调研,切实摸清产业现状和技术瓶颈,对接企业的研究需求;三、企业积极成为创新主体,创新产学研合作模式,加大基础科研的投入,并吸引科研人才加入,激发自身创新活力。
 
Q:作为曾经担任国内多所大学领导的教育工作者,您对当代青年的成长常有肺腑之言。请您对风电行业的奋斗者,或者即将走入风电领域的年轻人说几句。
 
A:发展风电,是缓解国家能源供需矛盾、减轻环境污染的重要途径。可以预见,我国风电需求在较长时间内还将处于快速增长期,对创新型人才的需求量很大。希望风电行业的奋斗者们专注于学问和技术,在专注中成就自己的未来,以国家需要为己任,抓住时代机遇,为解决风电行业发展中的技术难题发挥重要作用,促进我国风电行业的技术进步,推动国家清洁能源发展,保障国家能源安全,在党和国家的事业发展中实现自己的价值。
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