碳中和背景下風電基礎綜合實驗教學平臺設計

郭耀華 姚燁 陳廣思

［摘 要］ 新時代以碳中和為目標的能源結構轉型，對高校新興專業人才培養提出了迫切的需求，尤其體現在畢業生的動手實踐與創新能力方面。天津大學結合社會對人才的需求，新設了風能工程專業，快速設計并建立了雙校區雙平臺開放運行的風電基礎綜合實驗教學平臺，以滿足本科生及研究生的實驗課程教學及科研使用需求。單個該平臺可同時進行四種不同土/水質模型試驗，且具有向上的擴展性。平臺配備有同時進行豎向荷載（V）、水平荷載（H）、彎矩荷載（M）及扭矩荷載（T）加載的裝置。平臺運行多年以來，師生均認為平臺設計合理、功能齊全、操作便捷，該平臺能夠滿足風電基礎實驗的各項功能需求，一直處于滿負荷狀態。

［關鍵詞］ 碳中和；風電基礎；實驗教學；平臺設計

［基金項目］ 2020年度國家自然科學基金委員會國家自然科學基金青年項目“深海復雜環境下寬淺型筒型基礎整機沉放姿態控制方法及機理研究”（51909188）

［作者簡介］ 郭耀華（1986—），男，河南林州人，博士，天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室工程師，主要從事新能源及水電實驗研究；姚 燁（1987—），女，天津人，博士，天津大學建筑工程學院高級工程師（通信作者），主要從事新能源及水電實驗研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）20-0001-05［收稿日期］ 2022-03-06

目前我國燃煤發電占總發電量的比例遠高于發達國家，而人均用電量和可再生能源占比遠低于發達國家。在“30·60”雙碳目標及“十四五能源規劃”中能源結構轉型的目標下，一場以大力開發利用可再生能源為主題的能源革命正在大勢興起，風電在這一偉大目標中必將“擔當大任”，迎來大好的發展趨勢。我國陸上及海上風電起步較晚，但在國家政策支持下，近幾年發展迅速，目前風電裝機容量已連續12年全球第一。

在我國陸上及海上風電市場發展迅速的同時，社會對新能源人才尤其是風電人才也有著迫切需求［1-2］。目前風電基礎結構設計人員一般為原水電或房建專業轉型而來，缺少風電結構專業型人才。高校內教師、教材及配套實驗教學等未能根據實際情況緊跟社會需求，教學與新能源領域脫節。面對此問題，部分高校從交叉學科等著手建立風能工程及風電結構等學科專業，并嘗試制訂系統的培養方案［3-5］。風電基礎結構理論知識體系正在不斷地發展和完善當中，但與之配套的本科及研究生實驗教學方案與裝置卻遠遠落后于實際需求。

本文以天津大學風能工程專業風電基礎綜合實驗教學平臺為例，從實驗教學平臺建設的意義、方案設計、應用及效果等多方面進行系統的介紹，探討新時代碳中和背景下風電實驗教學平臺設計的最佳方案。

一、風電基礎實驗教學平臺建設意義

風機基需要承受機組及塔筒傳遞下來的360°長期往復循環荷載作用，同時陸上及海上風電基礎結構類型又多種多樣，使得基礎結構受力特性極為復雜。風電基礎結構對風電機組正常運行的安全性及風電場開發的經濟性有著極大的影響，為了規范風電基礎結構設計，我國國家能源局分別于2018年及2019年頒布了《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》《陸上風電場工程風電機組基礎設計規范》兩本行業標準，但目前依舊缺少相應的強制性國家標準。在上述兩本行業標準頒布之前，我國二十多年風電發展過程中，風電基礎結構設計一直處于套用建筑地基、高聳結構及煙囪等專業規范的狀態，因此也發生了多起倒塔、傾覆、基礎松動等事故。

風電基礎結構在安全及經濟性上存在的諸多問題，反映出了高校對新能源行業專業型人才培養體系的缺失或不完善。部分高校結合社會發展需求，新設了部分風電結構專業課程及專業，從一定程度上解決了市場對新興行業人才及專業知識的需求［6-9］。對處于起步階段的新專業，必然要建構其特殊的知識體系并不斷完善和進行實踐檢驗，但是目前在風電基礎結構實驗教學方面卻依舊處于空白狀態。

高校亟需結合風電專業課程需求，以及專業理論課程中陸上及海上結構受力機理與特點，研發適用于本科教學、本科畢業設計、本科生實驗探索、研究生教學，以及科研的陸上與海上風電基礎結構綜合實驗教學平臺，對平臺的使用及應用效果進行考核與評估，并不斷進行調整和完善。

二、風電基礎綜合實驗平臺設計

（一）風電基礎分區域土/水槽設計

我國陸地及海域面積遼闊，各區域地質情況差異極大，為了從最大限度上滿足陸上及海上風電基礎所處區域地質情況差異的模擬需求，同時結合不同比尺模型試驗要求，新建的風電基礎綜合實驗平臺擬設置四個4 m×4 m×2 m下沉式土/水槽，同時頂部高出地面2 m，組合后可形成8 m×8 m×4 m的大型土/水槽（見圖1）。目前，1～4號土槽分別填放有細砂、中砂、粉土、淤泥質黏土四種土質，可開展不同土質的模擬實驗。同時，土槽底部設置有排水管道，可根據模擬情況需要進行飽和與非飽和土質模擬。

（二）風電基礎實驗加載裝置設計

從結構體系上來看，風力發電機組屬于頭重腳輕的結構物，運行中的風電機組承受著360°方向重復荷載和大偏心荷載作用，因此會對塔筒（塔架）與底部基礎的連接部位產生極大的荷載作用。風電基礎結構需要承受上部機組及塔筒傳遞下來的往復循環荷載，具體可分為豎向荷載（V）、水平荷載（H）、彎矩荷載（M）及扭矩荷載（T）。在多土質土槽提供了充分地質模擬條件的基礎上，V-H-M-T荷載也需要通過相應的加載裝置進行充分的模擬。為了滿足四個土槽內均可進行組合荷載加載實驗，加載裝置應具有可移動的功能，因此設計了多向可移動式加載反力架，反力架上設置有水平及豎向液壓千斤頂（見圖2）。

三、實驗平臺應用及效果

風電基礎綜合實驗平臺建成后，可提供多種土質復合荷載作用下風電基礎承載力及沉放等大比尺室內模型試驗，可充分滿足“新能源技術”“風能工程”及“水電及風電工程實驗技能”等專業課程的本科生與研究生實驗教學需求，并通過大型儀器設備共享平臺向校內外人員提供實驗平臺。

（一）風電基礎承載力本科教學實驗

風電基礎綜合實驗平臺可為“新能源技術”“風能工程”及“巖土力學”等本科課程提供相應的動手實驗教學場地，主要通過大比尺模型實驗，使學生明白風電基礎結構的荷載特點、承載模式及機理、失效模式、土質及結構形式對基礎承載力的影響等，如圖3所示。以筒型基礎沉放及水平承載力實驗教學實驗為例，學生通過動手操作，明白了筒型基礎壓差沉放原理及在位承載機理，直觀地看到了基礎可能會由于土質或設計不合理而導致的整體傾覆風險，意識到結構工程師在進行基礎結構設計時應認真負責，從而提升了學生主動學習的能力、增強了他們的責任意識，達到了很好的實驗教學效果。

（二）新型基礎本科畢設及大創實驗

為進一步提高新興風電專業學生的動手實踐能力，綜合實驗平臺在滿足本科實驗教學的前提下，對本科畢設及參加大學生創新創業大賽的學生也通過預約的方式開放（見圖4）。本科學生在指導教師的指導及綜合實驗平臺的支撐下，可快速地將新想法、新思路、新結構等通過模型試驗平臺進行檢驗、驗證和調整，進而高效地形成較為可行的方案，大大提高了學生動手實踐的積極性、主動性。綜合實驗平臺自建成以來，對學生參加各類型實驗競賽提供了支持，取得了多項國際及國家級獎勵，達到了很好的使用效果。

（三）研究生教學及科研實驗

天津大學衛津路校區風電基礎綜合實驗平臺自建成以來，得到了廣大師生的積極好評，認為平臺設計合理、功能齊全、操作便捷，能夠很好地滿足各項風電基礎實驗的功能需求，因此平臺使用一直處于滿負荷狀態。為了更好地滿足實驗教學及科研使用需求，我們于2018年在天津大學北洋園校區按照1∶1的比例，新建了一座風電基礎綜合實驗平臺，并對部分功能進行了升級。以此兩個風電實驗平臺為基礎，展開了海上風電新型筒型基礎結構的研發，此新型基礎結構除具有可借助筒內外壓差進行海上快速安裝及承載能力強的特點外，其內部充氣后可具有一定的自浮穩性，并已在我國多個海上風電場上得到了成功的應用，實現了科研成果的快速轉化。尤其在我國近幾年海上風電“搶裝潮”及“平價上網”背景下，我國從南到北多個海上風電場大規模批量應用了諸如鋼混/鋼質復合筒型基礎、單立柱復合筒型基礎、三筒/四筒導管架基礎、首臺漂浮式風機底部系泊吸力桶基礎等多種類型吸力樁/桶/筒型基礎，更是凸顯了吸力樁/桶/筒型基礎在海上風電“平價化”時代的突出優勢與巨大發展潛力。基于此平臺開展的大量科研研究，為2020年天津市技術發明特等獎“海上風電新型筒型基礎與高效安裝成套技術”提供了堅實的技術支撐。

在雙校區、雙平臺共享運行模式下，可給予在讀研究生進行更多的探索性實驗（見圖5），為我國新興新能源領域培養了大量的急需人才，并得到了各用人單位的好評。教研室教師將繼續緊跟祖國和時代需求，努力改進教學方式、提升教學條件，以期為國家能源結構轉型及風電平價上網規劃做出更多的貢獻。

結語

新時代以大力開發可再生能源為主的能源革命為我國能源轉型及產業革命帶來了新的契機，同時新興新能源產業對高校人才培養也提出了較高的要求，尤其體現在畢業生的動手實踐能力方面。以天津大學新設風能工程專業中的風電基礎綜合實驗教學平臺設計及應用經驗為例，從實驗教學平臺建設的重要意義、土/水槽及加載裝置設計、平臺應用及效果等多方面進行的系統總結可以看出，綜合實驗平臺設計合理，能夠充分滿足本科生及研究生的課程教學及科研使用需求；共享開放實驗平臺可充分調動學生動手實踐的積極性和主動性，并通過平臺對想法進行檢驗和改進，提高了科研轉化效率；基于平臺培養出的本科生及研究生的動手實踐和創新能力有了顯著的提高，得到了社會及用人單位的一致好評。綜上，此新興專業開放式實驗教學平臺設計方案及教學模式綜合效果評價，在高校中具有很好的推廣應用性。

參考文獻

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Design of Comprehensive Experimental Teaching Platform for Wind Power Foundations under the Background of Carbon Neutrality

GUO Yao-hua1a， 1b， YAO Ye1b，2， CHEN Guang-si1a， 1b

（1. a. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， b. School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China; 2.Institute of Ocean Energy and Intelligent Construction， Tianjin University of Technology， Tianjin 300382， China）

Abstract： The transformation of the energy structure with the goal of “carbon neutrality” in the new era also puts forward an urgent need for the training of emerging professional talents in universities， especially in the hands-on practice and innovation capabilities of graduates. Tianjin University has established a new major in wind energy engineering in line with the needs of social talents， and quickly designed and established a “wind power basic comprehensive experimental teaching platform” with two campuses and two platforms for open operation， to meet the needs of undergraduates and graduate students in experimental course teaching and scientific research. A single platform can conduct four different soil/water quality model tests at the same time， and it has upward scalability; the platform is equipped with a device for simultaneous vertical load （V）， horizontal load （H）， bending moment load （M） and torque load （T）. Since the platform has been in operation for many years， teachers and students have agreed that the platform has reasonable design， complete functions， and convenient operation to meet the functional requirements of basic wind power experiments， and it has been at full load.

Key words： carbon neutrality; wind power foundation; experimental teaching; platform design