翟恩地：直面漂浮式風機設計痛點，把脈未來技術突破方向

金秋送爽，丹桂飄香。2024年9月21日，第四屆中國深遠海漂浮式海上風電大會在江蘇鹽城舉辦，三百多位專家學者、企業代表、行業同仁齊聚一堂，開啟一場關于深遠海海上風電技術創新的智慧盛會。中國海洋工程咨詢協會海上風電分會翟恩地主持大會，并作圓桌論壇引導發言，與在場嘉賓探討深遠海海上風電發展與挑戰。作為風電知名專家，翟恩地博士在圓桌論壇引導發言中，揭示了漂浮式風機設計中的十大痛點，并通過深入剖析，為未來漂浮式海上風電的創新和研究指明了方向。

以下為翟恩地博士主持和引導發言摘錄，部分內容做了重新編排。

01風起于青萍之末，而舞于松柏之下

深遠海海上風電的發展，恰似這股自然之力，雖始于細微，卻蘊含著改變世界能源格局的磅礴力量。深遠海區域擁有豐富的風能資源，我國深遠海海上風電資源潛力巨大。世界銀行測算，全球海上風電技術開發潛力超過710億千瓦，其中70%為深遠海海域；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，風能資源技術可開發量約22.5億千瓦。深遠海海上風電的發展，既可顯著提升風電開發規模、降低沿海地區用能成本，又為推動能源轉型、實現“雙碳”目標達成提供支撐，意義重大。

但深遠海海上風電的發展道路不是一馬平川，挑戰猶如大海中的隱秘暗流，復雜而多變。海洋的極端環境對風電機組設計、建造與運維提出了極高的要求，在面對極端海洋環境考驗時，如何打造卓越的技術實力提升風機適應性，如何在保障安全穩定的前提下提高發電效率、降低維護成本，均是擺在風電行業面前的難題。

漂浮式風電方案是深遠海海上風電發展的必然選擇。可以說，漂浮式風電的技術發展，決定了深遠海海上風電的發展速度。但幾乎所有從事風電技術創新的科學家和工程師都對漂浮式風電技術十分敬畏，因為它是集空氣動力學、結構動力學、水動力學、巖土動力學、復合材料、機電耦合系統、系統控制理論和新型電力系統等多學科、多專業于一身的復雜系統，是風電技術的制高點。因此，亟需識別關鍵技術痛點，迎難而上，為技術攻關理清頭緒。

02提綱而眾目張，振領而群毛理

翟恩地博士以“整機設計、環境輸入、機組系統、結構響應、測試驗證”的風機設計要素為主線，揭示并剖析漂浮式風機設計的十大痛點。筆墨不多，卻提綱挈領、高度凝練、洞悉深刻。十大痛點既是技術瓶頸，更是推動漂浮式風電技術發展的關鍵研究領域。

痛點一為“一體化仿真與設計工具鏈仍不完善”，體現在：主流商業軟件開展浮式基礎的結構響應、局部強度分析時，尚未具有高效、全耦合、一體化設計方法；不同學科團隊采用不同仿真工具，多工具接口復雜、數據傳遞不暢：工具各有優劣，工具應用時缺乏行業共識的高精度、高效的實踐作法。

痛點二為“長柔葉片的氣動彈性問題尤為突出”，體現在：漂浮式風機六自由度平臺的低頻運動造成葉片-葉輪系統的非定常效應，葉片內側存在失速風險；傳統葉素動量理論（BEM）在應對漂浮式風機被動偏航、對風不準確等工況時，存在推力修正誤差，局限性凸顯；漂浮式機組采取各類抗臺手段時，尾緣均處于特殊的入流狀態，難以快速精準進行評估。

痛點三為“耦合動力學仿真中的水動力挑戰”，即：隨著漂浮式風機的大型化，現有仿真方法難以應對浮體剛度和模態變化帶來的影響。體現在：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條件不再適用；同時，隨著機組大型化、浮體尺度增加，浮體的剛體假設不再適用，需考慮浮體剛度和模態對整機模態及水動力載荷的影響。

痛點四為“浮式基礎強度設計尚未實現一體化”，體現在：浮式基礎的強度設計仍然依賴于風載和浪載的分步疊加，這種方法導致了設計冗余和不確定性；目前成熟的浮體方案成本較高，難以實現商業化部署；諸多新概念、新型浮體低成本大規模量產路徑不清晰，業界尚未達成共識；此外，還需考慮如何同時實現浮體輕量化和結構強度，以及如何在前端設計、后端制造、組裝效率間取得平衡。

痛點五為“系泊系統的降本路徑不明確”，體現在：系泊系統設計的多樣化使得降本變得更加復雜，業內仍缺乏針對漂浮式風機水深和環境條件的低成本解決方案；系泊系統失效概率相對較高，新型系泊組件、系泊材料等尚未經過充分驗證的降載與低成本解決方案，推廣應用難度大、風險高。

痛點六為“動態纜設計復雜且面臨巨大壓力”，即：漂浮式風機動態海纜傳輸功率高、偏移量大、動態載荷大，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，致使結構、電氣和水中構型設計極具挑戰。體現在：高載流、高電壓、大尺寸帶來高疲勞荷載，大幅運動急劇增大附件設計難度，海生物附著嚴重制約電纜構型。

痛點七為“葉輪、傳動鏈與塔架的耦合振動難以規避”，體現在：當前的漂浮式風機設計仍基于固定式風機方案，只是結合浮體特性與風場環境進行適應性改進，葉片、傳動鏈、塔架振動頻率、葉輪轉速頻率避開共振的設計更加困難；受浮體運動影響，塔架的承載要求大幅提高，剛性-剛性設計導致塔架用鋼成本顯著增加；針對不同于當前風機架構的漂浮式風機，性能和成本優勢也尚未得到明確論證。

痛點八為“閉環控制的穩定性難題”，體現在：漂浮式風機浮體縱搖與葉片變槳耦合失穩問題；葉片變槳帶來的負阻尼效應，引發漂浮式風機的控制系統的失穩問題。

痛點九為“水池縮尺試驗的局限性”，體現在：水池縮尺試驗是漂浮式風機的重要驗證手段，但由于氣動雷諾數、水動弗勞德數相似性不兼容，存在一定的模擬局限性；水池試驗中的風浪相互作用與縮放問題；復合材料系泊纜的剛度與彈性問題。

痛點十為“遠程監測和機組可靠性驗證不足”，體現在：隨著風機逐步部署在深遠海區域，可達性差、非計劃運維多，且遠程監測技術的難度不斷增加；大型化海上風電機組正經歷著快速迭代發展的階段，但許多新設計、新工藝還沒有得到長時間充分驗證，機組可靠性驗證不充分。

翟恩地博士做題為《漂浮式海上風機設計痛點問題分析》的引導性發言

03知易行難，行之惟艱

漂浮式風機的技術痛點、瓶頸、難題客觀存在，但挑戰和機遇并存。翟恩地博士相信，通過匯聚行業智慧與力量，定能找到解決方案，推動漂浮式風電技術實現商業化發展。針對漂浮式風機設計的十大痛點，翟恩地博士也給出了可供參考的解決思路，為未來技術突破提供方向指引。

針對痛點一“一體化仿真與設計工具鏈仍不完善”痛點，提出：未來的研究應著眼于開發更加高效、全耦合的一體化設計工具；加強不同仿真工具之間的接口標準化，促進跨學科團隊間的協同工作，提升數據流的暢通性；應根據具體應用場景，合理選擇和搭配不同精度的仿真工具。

針對痛點二“長柔葉片的氣動彈性問題尤為突出”，提出：未來的研究方向應著重于改進氣動設計理論，特別是提升葉輪在復雜工況下的響應能力；同時，優化傳統的葉素動量理論，針對高誘導因子和漂浮式風機的特殊對風工況，開發更加精確的統一動量理論仿真工具和評估方法。

針對痛點三“耦合動力學仿真中的水動力挑戰”，提出：未來的研究方向應包括更高階的計算流體動力學（CFD）仿真工具開發，尤其是在極端海況下，應準確評估風機動態響應和水動力載荷；同時，通過實驗和數值模擬結合的方式，進一步優化浮體設計，以減少其對整機模態的影響。

針對痛點四“浮式基礎強度設計尚未實現一體化”，提出：未來的研究應加速開發全耦合的強度分析方法，實現風、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的研究，降低浮體的生產和安裝成本；在保證結構強度的前提下，尋求輕量化和成本控制的平衡，推動浮式基礎的大規模商業化應用。

針對痛點五“系泊系統的降本路徑不明確”，提出：未來的研究應聚焦于開發更低成本、更高可靠性的系泊材料和系統設計，特別是針對不同水深和環境條件下的優化方案；開展針對系泊系統失效概率的深入分析，并通過實驗和數值模擬，驗證新型系泊材料的耐久性與強度，從而為低成本、長壽命的系泊方案設計提供依據。

針對痛點六“動態纜設計復雜且面臨巨大壓力”，提出：未來應加強對動態纜疲勞載荷的研究，開發更加耐用的附件設計和防護技術，以應對海洋環境的嚴苛挑戰；針對海生物附著問題，行業應加快研發防污材料、優化電纜結構，以提高動態纜的長期可靠性。

針對痛點七“葉輪、傳動鏈與塔架的耦合振動難以規避”，提出：未來行業應加大對浮體特性與風機系統耦合振動的研究力度，通過更精準的動力分析和結構優化設計，來減少振動影響；此外，還需針對新型風機架構，如多葉輪、兩葉片、下風向風機等，開展更多實驗，以驗證其潛在優勢和應用可行性。

針對痛點八“閉環控制的穩定性難題”，提出：未來的研究應聚焦開發更先進的閉環控制算法，增強平臺的穩定性；通過引入新的傳感器技術，實時監測風機的動態響應，并結合前饋控制算法和高級降載技術，以更有效地抑制平臺運動響應，提高風機的運行效率。

針對痛點九“水池縮尺試驗的局限性”，提出：未來的研究應結合計算流體動力學（CFD）和勢流理論，開發更為精確的混合模型試驗方法，以提高氣動和水動力載荷的模擬精度；同時，行業應投入更多資源，建設先進的多自由度造波池，能夠生成復雜風浪環境，為風機控制和動態響應測試提供更逼真的實驗場景。

針對痛點十“遠程監測和機組可靠性驗證不足”，提出：未來的研究應加強智能監測系統開發，利用大數據和人工智能技術，實現風機的故障預測和診斷；同時，行業還需加快機組可靠性驗證工作，特別是在極端海況下，通過長期運行數據積累，建立可靠的性能評估體系，確保風機的長期穩定運行。

04立志欲堅不欲銳，成功在久不在速

翟恩地博士在收尾發言中表示，有信心見證風電行業通過加大對仿真工具、材料技術、控制算法、系統集成的研究投入，逐步克服技術挑戰、降低成本，實現漂浮式風電的商業化。同時呼吁風電行業必須加強技術創新和合作，不斷創新思維，探索新的創新平臺和合作模式，吸引更多科學家、工程師團隊和企業共同攻堅克難，推動漂浮式風機從技術探索走向商業化、規模化，推動深遠海風電向更安全、更高效、更可持續發展。