風電機組塔架結構設計創新教育

文 | 北京建筑大學土木與交通工程學院 祝磊，韓淼

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風電機組塔架結構設計創新教育

文 | 北京建筑大學土木與交通工程學院 祝磊，韓淼

近年來，我國風力發電事業發展迅猛，北京建筑大學結合自身學科優勢，在風電技術研發、清潔能源利用等領域開展了多項工作。經過近五年的實踐，北京建筑大學在風電機組塔架結構設計方面實行的一系列創新教育，積累了一定的經驗，取得了可喜的成績，主要包括以下三個方面：

一、鋼塔筒抗震、抗風設計

風力發電屬于新生事物，傳統土木工程專業沒有風電機組塔架的設計課程。但土木工程專業課程中含“特種結構”選修課，其中包括高聳結構、塔桅結構的設計，其基本原理也適用于風電機組鋼塔筒。考慮風電機組頂部的葉片影響，鋼塔筒設計也具有其獨特之處，因此在教學中注意引導學生理解鋼塔筒設計與其他高聳結構如電視塔、煙囪的不同特點，并指導學生開展深入研究。

為增加學生對風電機組的實際認識，2012年9月帶領學生去參觀蘭州電機廠和酒泉風電場。此外，教學活動中也注意開展國際交流，2012年9月邀請日本東京大學石原孟教授來我校做日本風電發展的學術報告，并與石原孟教授不定期交流風電的新進展。2010級碩士研究生季亮研究鋼塔筒的結構抗震問題，畢業論文《鋼管塔架式水平軸風電機組抗震研究》獲得2013年度中國可再生能源學會風能專業委員會和舍弗勒集團共同設立的“綠色風能——研究生優秀學位論文”鼓勵獎。為擴展學生視野，2014年4月，安排學生參加了在上海舉辦的世界風能大會（WWEC2014），并作學術報告。

二、塔架結構設計競賽

為增強學生動手能力，促進理論與實踐的結合，北京市教育委員會每年主辦“北京市大學生建筑結構設計競賽”，每年均由北京建筑大學承辦，參加者來自北京、天津、河北、山東、遼寧的20所大學。

2015年5月舉行的第四屆競賽A組題目為設計并制作一個縮小版的風電機組塔架結構，使用竹材和502膠水手工粘接完成模型，要求模型承受一定風荷載并不發生損壞，以重量輕者為優勝。本次比賽旨在鼓勵學生設計并制作新型塔架結構，而學生也表現了濃厚的興趣，本校參加隊伍達到十多組，每組成員3至6人，一、二、三年級的學生均有參加。學生展示了較強的創新能力，設計了多種方案并親手制作完成。

通過本次比賽，學生鞏固了風電機組塔架抗風的理論知識，鍛煉了實踐能力。

三、新型塔架結構設計

在常用鋼塔筒的基礎上，北京建筑大學也積極開展新型塔架結構的創新教育工作。前述塔架結構設計競賽是面向本科生的創新實踐，碩士研究生則從理論上研究新型塔架結構的可行性。由于風電機組功率越來越大，葉片越來越長，塔架高度也逐漸增加，鋼塔筒面臨直徑太大，超出運輸限高的問題，因此有必要設計新型的塔架結構。

幾年來，研究生探討了混凝土塔筒和鋼格構式塔架的技術、經濟指標，為這些新型塔架的實際應用提供了一定的理論基礎。研究生李書文分析了混凝土塔筒的抗震、抗風性能，并計算了不同直徑、壁厚塔筒的造價，研究成果發表在《太陽能學報》、《風能》等期刊，并獲得2014年度碩士研究生國家獎學金及2015年北京市優秀畢業生稱號。此外，祝磊、許楠、高穎共同翻譯了日本土木學會《風力發電設備塔架結構設計指南及解說》，為風電機組塔架結構設計教學提供了有益的參考書。

國內風電專業課程多講授葉片的空氣動力學、機械設備、電氣控制、氣象等知識，較少涉及塔架結構設計。北京建筑大學開展的塔架結構設計教育基于土建類學校的專業特點，在風電機組塔架結構設計這個領域做了初步的探索，重在激發學生的結構創新意識，并強調學生學以致用、鍛煉動手能力，具有一定的開創性。