全球風(fēng)電“遠(yuǎn)航”，從明陽開始

撰文 | 懂懂

編輯 | 秦言

來源：懂懂筆記

海上巨無霸、全球單體容量最大的16.6MW漂浮式風(fēng)電平臺“明陽天成號”，8月11日從黃埔文沖造船廠碼頭出發(fā)，將用三天時間拖航至廣東陽江海域，總航程約191海里。安裝、調(diào)試、正式運營后，預(yù)計平均每年可發(fā)電約5400萬度，能滿足3萬戶三口之家一年的日常用電。

當(dāng)一切穩(wěn)定之后，未來在深遠(yuǎn)海將有更多的“大風(fēng)車”，挖掘大自然的潛能，照亮這個世界。

深遠(yuǎn)海風(fēng)電本是一個技術(shù)“無人區(qū)”，目前全球鮮有企業(yè)在這片荒漠中探索。明陽在五年前開始投入研發(fā)，通過把無數(shù)個不可能變?yōu)榭赡埽罱K創(chuàng)造了多個全球“首創(chuàng)”，這才有了今天“明陽天成號”的遠(yuǎn)航。作為全球風(fēng)電的首個“遠(yuǎn)航”項目，“明陽天成號”已經(jīng)引起全球關(guān)注。

綠色能源替代傳統(tǒng)能源，這是一個不可逆的歷史進(jìn)程。就風(fēng)能而言，海上相比陸地風(fēng)速更穩(wěn)定、空氣密度更高，所以具備更好的利用率。但是，在海上建設(shè)“大風(fēng)車”的難度要遠(yuǎn)大于陸地。所以，我們看到風(fēng)電發(fā)展的進(jìn)程是先開發(fā)陸地，然后再開發(fā)淺海。隨著技術(shù)的創(chuàng)新，如今正在逐漸走向深遠(yuǎn)海。

地球71%的面積都是海洋，而近海風(fēng)電開發(fā)只占到海洋資源不到0.5%。這也就意味著，還有99.5%海洋資源有待開發(fā)。而要開發(fā)深遠(yuǎn)海資源，則要闖過更多的技術(shù)難關(guān)。

“更多的深遠(yuǎn)海資源就閑置在那里。但要開發(fā)深遠(yuǎn)海資源，有兩個比較迫切的問題需要進(jìn)行解決，一是成本，二是穩(wěn)定。”五年前，陳發(fā)橋帶著項目組開始攻關(guān)，他們的底氣，來自于明陽在風(fēng)電領(lǐng)域的技術(shù)積累以及多項全球領(lǐng)先的創(chuàng)新。

“明陽天成號”為什么會引起全球的關(guān)注？因為無論是哪個國家或者哪個企業(yè)，如果能夠率先突破以上兩點，在控制住成本的同時，還能保證穩(wěn)定地輸出，那就是占到了深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的最前沿。顯然，這一次明陽走到了前面。

據(jù)陳發(fā)橋介紹，未來隨著批量投產(chǎn)之后，成本還有望進(jìn)一步降低。同時，通過模擬測試，這臺漂浮式風(fēng)機(jī)可以抗住17級臺風(fēng)，運行的穩(wěn)定性大大提升。

來，讓我們看看這個大風(fēng)車到底是什么樣的？

如下圖，兩座塔筒呈“V”字形排列、搭載兩臺8.3兆瓦海上風(fēng)機(jī)，總?cè)萘窟_(dá)到16.6兆瓦，可應(yīng)用于水深35米以上的全球廣泛海域。其葉輪最高處達(dá)219米，空中最大寬度約為369米。整座風(fēng)電平臺排水總量約1.5萬噸，整體拖航設(shè)計吃水5.5米。

這個外觀宏大、內(nèi)里復(fù)雜且精細(xì)的“大風(fēng)車”，究竟是怎么煉成的？陳發(fā)橋總結(jié)了四個維度的創(chuàng)新：新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工法。

【新技術(shù)】

一是采用超緊湊結(jié)構(gòu)。搭載兩臺精美小巧的風(fēng)機(jī)，重量相較傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)下降15%~20%。事實上，超緊湊結(jié)構(gòu)使得生產(chǎn)、安裝、運輸、占地等一系列成本相應(yīng)下降，未來進(jìn)入批量生產(chǎn)之后，成本優(yōu)勢也更明顯。兩個葉輪的葉片尖端之間只間隔5米，這樣的極限設(shè)計，是綜合考慮葉輪間距、風(fēng)能利用效率和“V”型塔筒夾角之后的最優(yōu)解。不僅確保了葉輪之間的安全距離，還能實現(xiàn)最大化的捕風(fēng)率。?

二是下風(fēng)向技術(shù)。風(fēng)機(jī)先從機(jī)艙吹過來，再吹到葉輪。這樣的設(shè)計葉片可以更柔一些，有利于抗臺風(fēng)，對于穩(wěn)定性有很大的幫助。

三是單點系泊技術(shù)。在錨鏈的牽引下，它能夠根據(jù)臺風(fēng)的方向進(jìn)行自適應(yīng)的偏航調(diào)整——臺風(fēng)吹向哪，“明陽天成號”就轉(zhuǎn)向哪，讓風(fēng)輪始終正對來風(fēng)方向。能抗17級臺風(fēng)，單點系泊技術(shù)是一個關(guān)鍵。數(shù)據(jù)顯示，單點系泊方案使支撐結(jié)構(gòu)極限載荷降低40%，從而提高了風(fēng)機(jī)在臺風(fēng)天氣中的安全性和穩(wěn)定性。這一技術(shù)的應(yīng)用，推進(jìn)了海洋能源裝備和工程裝備岸上作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化與高效化。

四是半實物仿真技術(shù)。“明陽天成號”不同于傳統(tǒng)的單風(fēng)機(jī)，兩個風(fēng)機(jī)如何控制、效率最大化？通過數(shù)字孿生，半實物仿真進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)最優(yōu)解。

【新結(jié)構(gòu)】

首先，是塔筒和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。兩座塔筒以“V”字型排列，浮式基礎(chǔ)是“Y”字型結(jié)構(gòu)，無論是“V”還是“Y”，都是全球首個。在“V”字型塔筒上，兩臺主機(jī)、兩個葉輪“并排”而立。“明陽天成號”掃風(fēng)面積超5.2萬平方米，相當(dāng)于7個標(biāo)準(zhǔn)化足球場。以一個漂浮式基礎(chǔ)搭載兩臺風(fēng)機(jī)，可以有效減少單位千瓦造價、用海面積和運維成本。

其次，是拉索的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。借鑒橋梁的拉索，但又比其更復(fù)雜、更精準(zhǔn)，“明陽天成號”巧妙利用塔架系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)，借鑒并成功應(yīng)用全球最大的高應(yīng)力幅鋼絞線成品拉索體系。13根主拉索和6根輔拉索用于繃緊主機(jī)、塔架與漂浮式基礎(chǔ)，使風(fēng)機(jī)組各部件之間形成穩(wěn)定的張緊系統(tǒng)。這個接索系統(tǒng)的優(yōu)勢是塔架重力載荷可分散至拉索，塔架只承擔(dān)部分葉輪載荷，那么塔架所用的材料相應(yīng)也能節(jié)省很多。也就是說，更穩(wěn)、更輕、更省。

【新材料】

葉片采用碳玻混材料，即碳纖維和玻璃纖維的混合材料。碳纖維輕且剛性好，但是現(xiàn)在受限于產(chǎn)能，價格比較高，接近玻璃纖維的10倍。將兩種材料混合，重量下降10%~20%的同時，成本也下降6%以上，結(jié)合了兩種材料的優(yōu)勢，達(dá)成一種最佳平衡。

傳統(tǒng)浮筒采用純鋼結(jié)構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)，而“明陽天成號”首創(chuàng)性地采用“玻璃纖維外殼+XPS芯材+防護(hù)涂層材料”多種材料組合的方案制造浮筒。這個方案有三大好處：第一是浮力更大，比傳統(tǒng)的鋼桶提升20%~30%。第二是更容易實現(xiàn)浮筒曲面外形的要求。第三是三個浮筒均為流線橢球形，迎浪時所遇到的波浪阻力較小，還可以提供一定的橫向轉(zhuǎn)動的偏航動力，更有利于穩(wěn)定性。

最重要的一個是基礎(chǔ)浮體的材料創(chuàng)新。傳統(tǒng)浮式基礎(chǔ)一般采用鋼結(jié)構(gòu)，而“明陽天成號”首次采用抗壓能力達(dá)到115兆帕以上超高性能混凝土材料。在研發(fā)初期，這一大膽的想法，曾被認(rèn)為是“不可能實現(xiàn)”的，但通過團(tuán)隊的技術(shù)攻關(guān)，最終成功實現(xiàn)。這種混凝土材料強(qiáng)度達(dá)到普通混凝土的4倍左右，大大增加了浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載能力。同時，浮式基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土裝配式結(jié)構(gòu)，由此實現(xiàn)了模塊化設(shè)計和批量制造，大大降低了基礎(chǔ)建造成本。而且相比傳統(tǒng)的鋼材料，成本只有十分之一左右。

還有一個創(chuàng)新是纜繩，明陽是全球第一家采用尼龍纜的，這自種從英國進(jìn)口的材料剛度小，在受力的時候可以吸引一部分能量，更有利于穩(wěn)定。此外，因為系泊半徑小、纜繩數(shù)量少，成本也大幅下降。

【新工法】

海上風(fēng)機(jī)是一個非常宏大的建筑，一個個模塊要在漂浮的海面上完成安裝，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。“明陽天成號”的安裝歷時一年多，邊安裝、邊摸索、邊總結(jié)、邊創(chuàng)新，最終沉淀出一套非常獨創(chuàng)性的工法。

比如，混凝土預(yù)制件的施工工藝上，明陽借鑒了港珠澳大橋的沉箱預(yù)緊技術(shù)、混凝土預(yù)制件的接口密封和預(yù)應(yīng)力張拉工藝。同時，約1500根鋼絞線從浮體臂中穿過，在浮體建設(shè)過程中不僅要控制張拉力，更要保證在張拉過程中端面均勻受力。

再比如風(fēng)機(jī)的吊裝需要精準(zhǔn)對接，在漂浮的水面施工非常難。安裝第一個風(fēng)機(jī)的時候用了8個小時，通過第一次安裝總結(jié)工法，第二個只有1小時就完成了安裝，效率大大提升。

在以上四個維度的創(chuàng)新之外，還有很重要的一點就是智能化。AI作為新質(zhì)生產(chǎn)力，也將助力清潔能源的發(fā)展，特別是走向深遠(yuǎn)海這樣的技術(shù)跨越，更需要AI的加持。

借助于先進(jìn)的人工智能物聯(lián)網(wǎng)、認(rèn)知計算技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)的融合創(chuàng)新，“明陽天成號”具備卓越的環(huán)境感知能力、數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能分析、精準(zhǔn)決策制定以及全面的安全防護(hù)能力。這些創(chuàng)新技術(shù)的結(jié)合，可為“明陽天成號”提供敏銳的洞察力和高效的應(yīng)對策略。

“明陽天成號”安裝有超過3000個智能感應(yīng)器，除傳統(tǒng)的大部件監(jiān)測傳感器外，還配備慣導(dǎo)波浪監(jiān)測、陰極保護(hù)、應(yīng)力監(jiān)測、螺栓載荷、高壓柜氣體監(jiān)測、浮筒破損監(jiān)測、防雷監(jiān)測、自動消防等系統(tǒng)，通過視頻、圖像、音頻、位移、溫度、振動、應(yīng)力、電壓、電流、風(fēng)速、風(fēng)向等多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可實時感知2000多個零部件運行狀態(tài)。

借助明陽首創(chuàng)的全態(tài)勢健康管理模型， “明陽天成號”可實現(xiàn)對不同部件的智能化健康管理。該模型不僅能對風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能預(yù)警、健康監(jiān)測，還能通過可靠性評估及預(yù)測、故障樹分析等來評估機(jī)組的整體狀態(tài)。在AI大數(shù)據(jù)分析方法的支撐下，機(jī)組綜合狀態(tài)評價精度可達(dá)90%以上。

“明陽天成號”還采用了模擬仿生算法和人工智能算法。通過一系列智能策略，如姿態(tài)壓載控制、尾流控制、智能偏航校正、激光雷達(dá)前饋控制，以及基于多目標(biāo)潮流計算的能量協(xié)同控制等，它能夠靈活應(yīng)對氣候、季節(jié)等復(fù)雜多變的環(huán)境條件，實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)控制參數(shù)和策略，從而最大程度提升發(fā)電性能。

回看陳發(fā)橋總結(jié)的四大創(chuàng)新，所有創(chuàng)新都在圍繞成本和穩(wěn)定兩大目標(biāo)進(jìn)行。從成果來看，“明陽天成號”不僅推動了風(fēng)機(jī)外觀的革新，更在實質(zhì)上推動了風(fēng)機(jī)設(shè)計與制造的精進(jìn)，讓深遠(yuǎn)海風(fēng)電成為可能。

從風(fēng)電抗臺風(fēng)技術(shù)領(lǐng)創(chuàng)，到海上大兆瓦機(jī)組引領(lǐng)，再到深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)機(jī)領(lǐng)航，明陽集團(tuán)不斷在海上風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新浪潮趕超自我的過程，代表了中國風(fēng)電技術(shù)不斷創(chuàng)新、超越的態(tài)度。從模仿到跟隨再到超越。“明陽天成號”的出海，也意味著中國在深遠(yuǎn)海風(fēng)電領(lǐng)域已經(jīng)越人一步。

而隨著“明陽天成號”被拖離黃埔碼頭，其也將接受大自然的真正考驗。與此同時，明陽沒有停步，陳發(fā)橋透露：下一代技術(shù)已在開發(fā)中……

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