翟恩地：直面漂浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計痛點(diǎn)，把脈未來技術(shù)突破方向

金秋送爽，丹桂飄香。2024年9月21日，第四屆中國深遠(yuǎn)海漂浮式海上風(fēng)電大會在江蘇鹽城舉辦，三百多位專家學(xué)者、企業(yè)代表、行業(yè)同仁齊聚一堂，開啟一場關(guān)于深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新的智慧盛會。中國海洋工程咨詢協(xié)會海上風(fēng)電分會翟恩地主持大會，并作圓桌論壇引導(dǎo)發(fā)言，與在場嘉賓探討深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電發(fā)展與挑戰(zhàn)。作為風(fēng)電知名專家，翟恩地博士在圓桌論壇引導(dǎo)發(fā)言中，揭示了漂浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計中的十大痛點(diǎn)，并通過深入剖析，為未來漂浮式海上風(fēng)電的創(chuàng)新和研究指明了方向。

以下為翟恩地博士主持和引導(dǎo)發(fā)言摘錄，部分內(nèi)容做了重新編排。

01風(fēng)起于青萍之末，而舞于松柏之下

深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的發(fā)展，恰似這股自然之力，雖始于細(xì)微，卻蘊(yùn)含著改變世界能源格局的磅礴力量。深遠(yuǎn)海區(qū)域擁有豐富的風(fēng)能資源，我國深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電資源潛力巨大。世界銀行測算，全球海上風(fēng)電技術(shù)開發(fā)潛力超過710億千瓦，其中70%為深遠(yuǎn)海海域；國家氣候中心評估得到我國海上100米高度、離岸200千米范圍內(nèi)，風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量約22.5億千瓦。深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的發(fā)展，既可顯著提升風(fēng)電開發(fā)規(guī)模、降低沿海地區(qū)用能成本，又為推動能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)達(dá)成提供支撐，意義重大。

但深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的發(fā)展道路不是一馬平川，挑戰(zhàn)猶如大海中的隱秘暗流，復(fù)雜而多變。海洋的極端環(huán)境對風(fēng)電機(jī)組設(shè)計、建造與運(yùn)維提出了極高的要求，在面對極端海洋環(huán)境考驗(yàn)時，如何打造卓越的技術(shù)實(shí)力提升風(fēng)機(jī)適應(yīng)性，如何在保障安全穩(wěn)定的前提下提高發(fā)電效率、降低維護(hù)成本，均是擺在風(fēng)電行業(yè)面前的難題。

漂浮式風(fēng)電方案是深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電發(fā)展的必然選擇。可以說，漂浮式風(fēng)電的技術(shù)發(fā)展，決定了深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的發(fā)展速度。但幾乎所有從事風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新的科學(xué)家和工程師都對漂浮式風(fēng)電技術(shù)十分敬畏，因?yàn)樗羌諝鈩恿W(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、水動力學(xué)、巖土動力學(xué)、復(fù)合材料、機(jī)電耦合系統(tǒng)、系統(tǒng)控制理論和新型電力系統(tǒng)等多學(xué)科、多專業(yè)于一身的復(fù)雜系統(tǒng)，是風(fēng)電技術(shù)的制高點(diǎn)。因此，亟需識別關(guān)鍵技術(shù)痛點(diǎn)，迎難而上，為技術(shù)攻關(guān)理清頭緒。

02提綱而眾目張，振領(lǐng)而群毛理

翟恩地博士以“整機(jī)設(shè)計、環(huán)境輸入、機(jī)組系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、測試驗(yàn)證”的風(fēng)機(jī)設(shè)計要素為主線，揭示并剖析漂浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計的十大痛點(diǎn)。筆墨不多，卻提綱挈領(lǐng)、高度凝練、洞悉深刻。十大痛點(diǎn)既是技術(shù)瓶頸，更是推動漂浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。

痛點(diǎn)一為“一體化仿真與設(shè)計工具鏈仍不完善”，體現(xiàn)在：主流商業(yè)軟件開展浮式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、局部強(qiáng)度分析時，尚未具有高效、全耦合、一體化設(shè)計方法；不同學(xué)科團(tuán)隊(duì)采用不同仿真工具，多工具接口復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳遞不暢：工具各有優(yōu)劣，工具應(yīng)用時缺乏行業(yè)共識的高精度、高效的實(shí)踐作法。

痛點(diǎn)二為“長柔葉片的氣動彈性問題尤為突出”，體現(xiàn)在：漂浮式風(fēng)機(jī)六自由度平臺的低頻運(yùn)動造成葉片-葉輪系統(tǒng)的非定常效應(yīng)，葉片內(nèi)側(cè)存在失速風(fēng)險；傳統(tǒng)葉素動量理論（BEM）在應(yīng)對漂浮式風(fēng)機(jī)被動偏航、對風(fēng)不準(zhǔn)確等工況時，存在推力修正誤差，局限性凸顯；漂浮式機(jī)組采取各類抗臺手段時，尾緣均處于特殊的入流狀態(tài)，難以快速精準(zhǔn)進(jìn)行評估。

痛點(diǎn)三為“耦合動力學(xué)仿真中的水動力挑戰(zhàn)”，即：隨著漂浮式風(fēng)機(jī)的大型化，現(xiàn)有仿真方法難以應(yīng)對浮體剛度和模態(tài)變化帶來的影響。體現(xiàn)在：極端生存工況下，水動力載荷的粘性以及非線性成分增加，勢流理論的基本假設(shè)條件不再適用；同時，隨著機(jī)組大型化、浮體尺度增加，浮體的剛體假設(shè)不再適用，需考慮浮體剛度和模態(tài)對整機(jī)模態(tài)及水動力載荷的影響。

痛點(diǎn)四為“浮式基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計尚未實(shí)現(xiàn)一體化”，體現(xiàn)在：浮式基礎(chǔ)的強(qiáng)度設(shè)計仍然依賴于風(fēng)載和浪載的分步疊加，這種方法導(dǎo)致了設(shè)計冗余和不確定性；目前成熟的浮體方案成本較高，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化部署；諸多新概念、新型浮體低成本大規(guī)模量產(chǎn)路徑不清晰，業(yè)界尚未達(dá)成共識；此外，還需考慮如何同時實(shí)現(xiàn)浮體輕量化和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及如何在前端設(shè)計、后端制造、組裝效率間取得平衡。

痛點(diǎn)五為“系泊系統(tǒng)的降本路徑不明確”，體現(xiàn)在：系泊系統(tǒng)設(shè)計的多樣化使得降本變得更加復(fù)雜，業(yè)內(nèi)仍缺乏針對漂浮式風(fēng)機(jī)水深和環(huán)境條件的低成本解決方案；系泊系統(tǒng)失效概率相對較高，新型系泊組件、系泊材料等尚未經(jīng)過充分驗(yàn)證的降載與低成本解決方案，推廣應(yīng)用難度大、風(fēng)險高。

痛點(diǎn)六為“動態(tài)纜設(shè)計復(fù)雜且面臨巨大壓力”，即：漂浮式風(fēng)機(jī)動態(tài)海纜傳輸功率高、偏移量大、動態(tài)載荷大，在高載流和高電壓下面臨巨大壓力，又遭受海生物附著影響，致使結(jié)構(gòu)、電氣和水中構(gòu)型設(shè)計極具挑戰(zhàn)。體現(xiàn)在：高載流、高電壓、大尺寸帶來高疲勞荷載，大幅運(yùn)動急劇增大附件設(shè)計難度，海生物附著嚴(yán)重制約電纜構(gòu)型。

痛點(diǎn)七為“葉輪、傳動鏈與塔架的耦合振動難以規(guī)避”，體現(xiàn)在：當(dāng)前的漂浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計仍基于固定式風(fēng)機(jī)方案，只是結(jié)合浮體特性與風(fēng)場環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，葉片、傳動鏈、塔架振動頻率、葉輪轉(zhuǎn)速頻率避開共振的設(shè)計更加困難；受浮體運(yùn)動影響，塔架的承載要求大幅提高，剛性-剛性設(shè)計導(dǎo)致塔架用鋼成本顯著增加；針對不同于當(dāng)前風(fēng)機(jī)架構(gòu)的漂浮式風(fēng)機(jī)，性能和成本優(yōu)勢也尚未得到明確論證。

痛點(diǎn)八為“閉環(huán)控制的穩(wěn)定性難題”，體現(xiàn)在：漂浮式風(fēng)機(jī)浮體縱搖與葉片變槳耦合失穩(wěn)問題；葉片變槳帶來的負(fù)阻尼效應(yīng)，引發(fā)漂浮式風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)的失穩(wěn)問題。

痛點(diǎn)九為“水池縮尺試驗(yàn)的局限性”，體現(xiàn)在：水池縮尺試驗(yàn)是漂浮式風(fēng)機(jī)的重要驗(yàn)證手段，但由于氣動雷諾數(shù)、水動弗勞德數(shù)相似性不兼容，存在一定的模擬局限性；水池試驗(yàn)中的風(fēng)浪相互作用與縮放問題；復(fù)合材料系泊纜的剛度與彈性問題。

痛點(diǎn)十為“遠(yuǎn)程監(jiān)測和機(jī)組可靠性驗(yàn)證不足”，體現(xiàn)在：隨著風(fēng)機(jī)逐步部署在深遠(yuǎn)海區(qū)域，可達(dá)性差、非計劃運(yùn)維多，且遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)的難度不斷增加；大型化海上風(fēng)電機(jī)組正經(jīng)歷著快速迭代發(fā)展的階段，但許多新設(shè)計、新工藝還沒有得到長時間充分驗(yàn)證，機(jī)組可靠性驗(yàn)證不充分。

翟恩地博士做題為《漂浮式海上風(fēng)機(jī)設(shè)計痛點(diǎn)問題分析》的引導(dǎo)性發(fā)言

03知易行難，行之惟艱

漂浮式風(fēng)機(jī)的技術(shù)痛點(diǎn)、瓶頸、難題客觀存在，但挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存。翟恩地博士相信，通過匯聚行業(yè)智慧與力量，定能找到解決方案，推動漂浮式風(fēng)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展。針對漂浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計的十大痛點(diǎn)，翟恩地博士也給出了可供參考的解決思路，為未來技術(shù)突破提供方向指引。

針對痛點(diǎn)一“一體化仿真與設(shè)計工具鏈仍不完善”痛點(diǎn)，提出：未來的研究應(yīng)著眼于開發(fā)更加高效、全耦合的一體化設(shè)計工具；加強(qiáng)不同仿真工具之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)間的協(xié)同工作，提升數(shù)據(jù)流的暢通性；應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場景，合理選擇和搭配不同精度的仿真工具。

針對痛點(diǎn)二“長柔葉片的氣動彈性問題尤為突出”，提出：未來的研究方向應(yīng)著重于改進(jìn)氣動設(shè)計理論，特別是提升葉輪在復(fù)雜工況下的響應(yīng)能力；同時，優(yōu)化傳統(tǒng)的葉素動量理論，針對高誘導(dǎo)因子和漂浮式風(fēng)機(jī)的特殊對風(fēng)工況，開發(fā)更加精確的統(tǒng)一動量理論仿真工具和評估方法。

針對痛點(diǎn)三“耦合動力學(xué)仿真中的水動力挑戰(zhàn)”，提出：未來的研究方向應(yīng)包括更高階的計算流體動力學(xué)（CFD）仿真工具開發(fā)，尤其是在極端海況下，應(yīng)準(zhǔn)確評估風(fēng)機(jī)動態(tài)響應(yīng)和水動力載荷；同時，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方式，進(jìn)一步優(yōu)化浮體設(shè)計，以減少其對整機(jī)模態(tài)的影響。

針對痛點(diǎn)四“浮式基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計尚未實(shí)現(xiàn)一體化”，提出：未來的研究應(yīng)加速開發(fā)全耦合的強(qiáng)度分析方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、浪、流多重載荷的一體化計算；同時，推動新材料和模塊化制造技術(shù)的研究，降低浮體的生產(chǎn)和安裝成本；在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，尋求輕量化和成本控制的平衡，推動浮式基礎(chǔ)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

針對痛點(diǎn)五“系泊系統(tǒng)的降本路徑不明確”，提出：未來的研究應(yīng)聚焦于開發(fā)更低成本、更高可靠性的系泊材料和系統(tǒng)設(shè)計，特別是針對不同水深和環(huán)境條件下的優(yōu)化方案；開展針對系泊系統(tǒng)失效概率的深入分析，并通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，驗(yàn)證新型系泊材料的耐久性與強(qiáng)度，從而為低成本、長壽命的系泊方案設(shè)計提供依據(jù)。

針對痛點(diǎn)六“動態(tài)纜設(shè)計復(fù)雜且面臨巨大壓力”，提出：未來應(yīng)加強(qiáng)對動態(tài)纜疲勞載荷的研究，開發(fā)更加耐用的附件設(shè)計和防護(hù)技術(shù)，以應(yīng)對海洋環(huán)境的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)；針對海生物附著問題，行業(yè)應(yīng)加快研發(fā)防污材料、優(yōu)化電纜結(jié)構(gòu)，以提高動態(tài)纜的長期可靠性。

針對痛點(diǎn)七“葉輪、傳動鏈與塔架的耦合振動難以規(guī)避”，提出：未來行業(yè)應(yīng)加大對浮體特性與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)耦合振動的研究力度，通過更精準(zhǔn)的動力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，來減少振動影響；此外，還需針對新型風(fēng)機(jī)架構(gòu)，如多葉輪、兩葉片、下風(fēng)向風(fēng)機(jī)等，開展更多實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其潛在優(yōu)勢和應(yīng)用可行性。

針對痛點(diǎn)八“閉環(huán)控制的穩(wěn)定性難題”，提出：未來的研究應(yīng)聚焦開發(fā)更先進(jìn)的閉環(huán)控制算法，增強(qiáng)平臺的穩(wěn)定性；通過引入新的傳感器技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測風(fēng)機(jī)的動態(tài)響應(yīng)，并結(jié)合前饋控制算法和高級降載技術(shù)，以更有效地抑制平臺運(yùn)動響應(yīng)，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。

針對痛點(diǎn)九“水池縮尺試驗(yàn)的局限性”，提出：未來的研究應(yīng)結(jié)合計算流體動力學(xué)（CFD）和勢流理論，開發(fā)更為精確的混合模型試驗(yàn)方法，以提高氣動和水動力載荷的模擬精度；同時，行業(yè)應(yīng)投入更多資源，建設(shè)先進(jìn)的多自由度造波池，能夠生成復(fù)雜風(fēng)浪環(huán)境，為風(fēng)機(jī)控制和動態(tài)響應(yīng)測試提供更逼真的實(shí)驗(yàn)場景。

針對痛點(diǎn)十“遠(yuǎn)程監(jiān)測和機(jī)組可靠性驗(yàn)證不足”，提出：未來的研究應(yīng)加強(qiáng)智能監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的故障預(yù)測和診斷；同時，行業(yè)還需加快機(jī)組可靠性驗(yàn)證工作，特別是在極端海況下，通過長期運(yùn)行數(shù)據(jù)積累，建立可靠的性能評估體系，確保風(fēng)機(jī)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

04立志欲堅(jiān)不欲銳，成功在久不在速

翟恩地博士在收尾發(fā)言中表示，有信心見證風(fēng)電行業(yè)通過加大對仿真工具、材料技術(shù)、控制算法、系統(tǒng)集成的研究投入，逐步克服技術(shù)挑戰(zhàn)、降低成本，實(shí)現(xiàn)漂浮式風(fēng)電的商業(yè)化。同時呼吁風(fēng)電行業(yè)必須加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和合作，不斷創(chuàng)新思維，探索新的創(chuàng)新平臺和合作模式，吸引更多科學(xué)家、工程師團(tuán)隊(duì)和企業(yè)共同攻堅(jiān)克難，推動漂浮式風(fēng)機(jī)從技術(shù)探索走向商業(yè)化、規(guī)模化，推動深遠(yuǎn)海風(fēng)電向更安全、更高效、更可持續(xù)發(fā)展。