Q:近日，基于您的研究理論，全球首臺165米級輪轂高度預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土格構(gòu)式塔架樣機在山東德州投入使用。請問這一理論是基于現(xiàn)實中存在的哪類問題提出的?適用于哪種類型的風(fēng)電機組?在效率上將實現(xiàn)哪些提升?
A:目前，我國陸上風(fēng)電面臨單機容量不斷增大、輪轂高度顯著提升、葉片長度持續(xù)增加等趨勢，塔架結(jié)構(gòu)是保障風(fēng)電機組安全運行的關(guān)鍵。風(fēng)電機組的輪轂高度超過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，我們提出了一種新型風(fēng)電機組預(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)域為鋼管混凝土格構(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)揮材料的強度，在角柱中施加預(yù)應(yīng)力可有效避免其受拉時鋼管內(nèi)混凝土的開裂問題。正是因為上述的優(yōu)點，這種塔架非常適合超高輪轂高度、大容量風(fēng)電機組。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)式塔架不僅會帶來發(fā)電效率的提升，在設(shè)計、加工、運輸、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、塔筒超高、機組大容量發(fā)展的趨勢下，如陸上10兆瓦以上、海上20兆瓦以上機組，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，可大幅降低風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)成本，有效促進陸上低風(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，如何能更好地實現(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))。針對不同的風(fēng)電場環(huán)境和不同的地質(zhì)條件，風(fēng)電工程建設(shè)中存在的難點不盡相同：陸上規(guī)?；b機區(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、單機容量和葉片長度，這也大幅增加了塔架的設(shè)計、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)點數(shù)量多，降低了塔架安裝施工效率。如何在滿足公路運輸限制條件下，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件尺寸、提高安裝施工效率是目前的難點。“沙戈荒”地區(qū)風(fēng)電場正處于開發(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、晝夜溫差對支撐結(jié)構(gòu)的影響，如何解決風(fēng)沙對塔架的腐蝕問題，以及如何考慮沙漠土壤較低的地基承載力是目前的難點。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)場濕作業(yè)無法進行且降低施工效率。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)境條件對支撐結(jié)構(gòu)的影響是目前的難點。隨著風(fēng)電開發(fā)規(guī)模持續(xù)擴大，高烈度地震區(qū)域也有部分風(fēng)電場建設(shè)，這對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)計理論，是目前需要重點突破的難點。海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用傳統(tǒng)迭代設(shè)計方法，整機商和設(shè)計方的分布迭代設(shè)計導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果不經(jīng)濟且設(shè)計效率低下。如何形成高效的海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計方法是目前的難點。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，從而實現(xiàn)漂浮式基礎(chǔ)的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，是目前的難點。因為上述難點的存在，現(xiàn)有風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計、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)計方法，導(dǎo)致綜合成本較高。如果想要更好地實現(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)計理論，以突破上述難點問題，進一步優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，降低制造與建造成本，大幅提升風(fēng)電機組的發(fā)電效率。
Q:在大容量機組的開發(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組，以及漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時，在技術(shù)和施工上面臨著哪些挑戰(zhàn)?
A:在當(dāng)前的大容量機組發(fā)展趨勢下，漂浮式基礎(chǔ)大多為純鋼結(jié)構(gòu)，其綜合成本較高，需要進一步創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式。例如，對于采用鋼-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、流場間存在流固耦合效應(yīng)，風(fēng)電機組荷載與基礎(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)計階段，大型混凝土結(jié)構(gòu)的制造、運輸、安裝的難度較大，因此，其規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用面臨較大挑戰(zhàn)。
Q:風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)有哪些需要改進的地方?在風(fēng)電領(lǐng)域，您重點想解決哪一類難題?
A:近年來，我國風(fēng)能能源開發(fā)提速明顯，單機容量、輪轂高度和葉片長度的持續(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)電機組安全運行的關(guān)鍵，目前我國大型風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)自主創(chuàng)新體系缺失、設(shè)計理論不完善，導(dǎo)致工程事故頻發(fā)、經(jīng)濟損失巨大，成為制約風(fēng)電行業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要問題。我們團隊在建筑、橋梁的結(jié)構(gòu)基本性能和計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)驗和方法引入風(fēng)電領(lǐng)域，來推動風(fēng)電行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。未來，我們將進一步開展海上風(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)計方法等瓶頸，持續(xù)推動鋼-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，擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)已在我國多個建筑工程、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踐、與企業(yè)的交流合作經(jīng)驗來看，目前我國基礎(chǔ)研究發(fā)展迅速，但在推動基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)前沿融合，將成果轉(zhuǎn)化為實踐應(yīng)用方面仍然存在不足。長久以來，我國堅持校企合作的模式，企業(yè)在生產(chǎn)實踐中提出產(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產(chǎn)業(yè)實踐的深刻認(rèn)識，企業(yè)又忙于生產(chǎn)，很多時候缺乏對于研究的投入。這使得科研創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)需求不能實現(xiàn)很好的對接。對此，有幾條建議：一、出臺更多鼓勵產(chǎn)學(xué)研合作的政策與措施，加大科研創(chuàng)新在實踐中應(yīng)用的獎勵力度;二、鼓勵高校的基層科研人員多到企業(yè)去開展實踐調(diào)研，切實摸清產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和技術(shù)瓶頸，對接企業(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，您對當(dāng)代青年的成長常有肺腑之言。請您對風(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?？梢灶A(yù)見，我國風(fēng)電需求在較長時間內(nèi)還將處于快速增長期，對創(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，抓住時代機遇，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，促進我國風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)進步，推動國家清潔能源發(fā)展，保障國家能源安全，在黨和國家的事業(yè)發(fā)展中實現(xiàn)自己的價值。
