Q:近日，基于您的研究理論，全球首臺165米級輪轂高度預應力鋼管混凝土格構式塔架樣機在山東德州投入使用。請問這一理論是基于現實中存在的哪類問題提出的?適用于哪種類型的風電機組?在效率上將實現哪些提升?
A:目前，我國陸上風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，塔架結構是保障風電機組安全運行的關鍵。風電機組的輪轂高度超過160米后，傳統(tǒng)塔架結構的尺寸和重量大、綜合成本高，已難以適用。結合鋼管混凝土結構與預應力技術的優(yōu)點，我們提出了一種新型風電機組預應力鋼管混凝土格構式塔架。它將塔架整體的受彎模式轉化為角部構件軸向受力模式，能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土柱的高抗壓承載力。預應力鋼管混凝土格構式塔架下部受力較大區(qū)域為鋼管混凝土格構柱，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應力筋;上部受力較小區(qū)域仍然采用傳統(tǒng)鋼結構塔筒。由于各桿件主要承受軸向力，可充分發(fā)揮材料的強度，在角柱中施加預應力可有效避免其受拉時鋼管內混凝土的開裂問題。正是因為上述的優(yōu)點，這種塔架非常適合超高輪轂高度、大容量風電機組。由于該塔架全部采用裝配化建造方式，各構件均在工廠或現場標準化生產。因此，相比于傳統(tǒng)低輪轂高度塔架，預應力鋼管混凝土格構式塔架不僅會帶來發(fā)電效率的提升，在設計、加工、運輸、安裝等各環(huán)節(jié)均能顯著提高效率?？梢灶A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，預應力鋼管混凝土格構式塔架在受力效率、材料用量、工業(yè)化建造程度、供應鏈體系等方面都具有更大的優(yōu)勢，可大幅降低風電場開發(fā)建設成本，有效促進陸上低風速高切變區(qū)域風能資源的高效利用。
Q:作為我國著名的結構工程專家，您認為我國風電工程建設，包括不同地質條件下的海上風電施工，目前存在哪些難點，如何能更好地實現降本增效?
A:目前，我國風電工程建設規(guī)模大、分布廣，無論是陸上風電建設，還是海上風電建設，普遍存在的難點是如何研發(fā)出高性能、低成本的支撐結構(包括塔架和基礎)。針對不同的風電場環(huán)境和不同的地質條件，風電工程建設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速區(qū)轉移，為在低風速區(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計、制造和施工難度。陸上風電塔架的預制構件尺寸受到公路運輸限高、限寬的限制，導致預制構件數量及連接節(jié)點數量多，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，通過結構設計優(yōu)化預制構件尺寸、提高安裝施工效率是目前的難點。“沙戈荒”地區(qū)風電場正處于開發(fā)起步階段，其建設主要面臨極端氣候和地質條件的挑戰(zhàn)。如何解決季節(jié)溫差、晝夜溫差對支撐結構的影響，如何解決風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。嚴寒地區(qū)風電建設主要受極寒天氣限制，使得現場濕作業(yè)無法進行且降低施工效率。如何提高嚴寒地區(qū)施工安裝效率，以及如何解決凍融環(huán)境條件對支撐結構的影響是目前的難點。隨著風電開發(fā)規(guī)模持續(xù)擴大，高烈度地震區(qū)域也有部分風電場建設，這對塔架的抗震性能提出了更高要求。目前，國內尚無系統(tǒng)的支撐結構抗震設計方法。因此，如何提高不同類型塔架結構的抗震性能，并建立系統(tǒng)的塔架結構抗震設計理論，是目前需要重點突破的難點。海上風電支撐結構設計通常采用傳統(tǒng)迭代設計方法，整機商和設計方的分布迭代設計導致結構設計結果不經濟且設計效率低下。如何形成高效的海上風電支撐結構一體化設計方法是目前的難點。近年來，漂浮式基礎逐漸被應用于深遠海區(qū)域海上風電場建設。然而，現有漂浮式基礎均采用純鋼結構，用鋼量大、成本高。如何引入新材料和新結構形式以降低漂浮式基礎成本、提高其受力性能，從而實現漂浮式基礎的規(guī)?；a業(yè)化應用，是目前的難點。因為上述難點的存在，現有風電機組支撐結構的設計、制造與施工過程中通常采用傳統(tǒng)的結構形式，并采用較為保守的設計方法，導致綜合成本較高。如果想要更好地實現風電工程建設的降本增效，則應在充分考慮建設環(huán)境、建設條件的前提下，引入新材料、新結構、新技術，創(chuàng)新結構體系和設計理論，以突破上述難點問題，進一步優(yōu)化支撐結構，降低制造與建造成本，大幅提升風電機組的發(fā)電效率。
Q:在大容量機組的開發(fā)上，中國已處于領先地位。未來在面向18兆瓦以上的更大機組，以及漂浮式風電機組基礎結構時，在技術和施工上面臨著哪些挑戰(zhàn)?
A:在當前的大容量機組發(fā)展趨勢下，漂浮式基礎大多為純鋼結構，其綜合成本較高，需要進一步創(chuàng)新結構形式。例如，對于采用鋼-混凝土混合結構的形式，由于混凝土結構的材料成本遠遠低于純鋼結構，預計可大幅降低漂浮式基礎的成本。在技術方面，漂浮式風電基礎與風場、流場間存在流固耦合效應，風電機組荷載與基礎結構間也存在相互影響，仿真模擬難度大。另外，混凝土結構在復雜應力狀態(tài)下的疲勞設計方法亟待完善。在施工方面，國內純鋼結構漂浮式風電基礎目前已有相關工程案例可參考，但基于鋼-混凝土混合結構的漂浮式基礎仍停留在初步方案設計階段，大型混凝土結構的制造、運輸、安裝的難度較大，因此，其規(guī)?；a業(yè)化應用面臨較大挑戰(zhàn)。
Q:風電支撐結構有哪些需要改進的地方?在風電領域，您重點想解決哪一類難題?
A:近年來，我國風能能源開發(fā)提速明顯，單機容量、輪轂高度和葉片長度的持續(xù)增加，降低了風電全生命周期的度電成本，但對支撐結構的力學性能提出了更高的要求。支撐結構是保障風電機組安全運行的關鍵，目前我國大型風電機組支撐結構自主創(chuàng)新體系缺失、設計理論不完善，導致工程事故頻發(fā)、經濟損失巨大，成為制約風電行業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要問題。我們團隊在建筑、橋梁的結構基本性能和計算方法等方面已取得豐碩成果，在建筑、橋梁領域廣泛應用的鋼-混凝土混合結構非常適合提升大型風電機組支撐結構的力學性能并降低綜合成本，我們希望將相關經驗和方法引入風電領域，來推動風電行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。未來，我們將進一步開展海上風電固定式支撐結構與漂浮式基礎結構體系研發(fā)，突破一體化分析理論及設計方法等瓶頸，持續(xù)推動鋼-混凝土組合結構與混合結構在風電工程中的應用，助力我國風電產業(yè)從陸地走向海洋、從近淺海邁向深遠海。
Q:經過數年鋼-混凝土混合結構的理論創(chuàng)新研究和體系研發(fā)，您認為，如何做才能將產業(yè)需求與科研創(chuàng)新緊密地結合起來?
A:鋼-混凝土混合結構具有受力性能優(yōu)越、建造效率高、綜合成本低等特點，擁有廣闊的應用領域，現已在我國多個建筑工程、橋梁工程、風電工程中得到應用。從我自己多年的科研實踐、與企業(yè)的交流合作經驗來看，目前我國基礎研究發(fā)展迅速，但在推動基礎研究與產業(yè)前沿融合，將成果轉化為實踐應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)在生產實踐中提出產業(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業(yè)實踐的深刻認識，企業(yè)又忙于生產，很多時候缺乏對于研究的投入。這使得科研創(chuàng)新和產業(yè)需求不能實現很好的對接。對此，有幾條建議：一、出臺更多鼓勵產學研合作的政策與措施，加大科研創(chuàng)新在實踐中應用的獎勵力度;二、鼓勵高校的基層科研人員多到企業(yè)去開展實踐調研，切實摸清產業(yè)現狀和技術瓶頸，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)新產學研合作模式，加大基礎科研的投入，并吸引科研人才加入，激發(fā)自身創(chuàng)新活力。
Q:作為曾經擔任國內多所大學領導的教育工作者，您對當代青年的成長常有肺腑之言。請您對風電行業(yè)的奮斗者，或者即將走入風電領域的年輕人說幾句。
A:發(fā)展風電，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見，我國風電需求在較長時間內還將處于快速增長期，對創(chuàng)新型人才的需求量很大。希望風電行業(yè)的奮斗者們專注于學問和技術，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，為解決風電行業(yè)發(fā)展中的技術難題發(fā)揮重要作用，促進我國風電行業(yè)的技術進步，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)展中實現自己的價值。
