產(chǎn)業(yè)需求引導(dǎo)應(yīng)用基礎(chǔ)創(chuàng)新 填補(bǔ)空白逐浪海上風(fēng)電裝備
——專(zhuān)訪華南理工大學(xué)船舶與海洋工程系副主任樊天慧

文/陳嵐

[導(dǎo)讀]

“三峽引領(lǐng)號(hào)”是國(guó)內(nèi)首個(gè)海上漂浮式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝備示范工程，已于2021年12月在廣東陽(yáng)江海上風(fēng)電場(chǎng)成功并網(wǎng)發(fā)電。作為能源領(lǐng)域的首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目，“三峽引領(lǐng)號(hào)”在建造過(guò)程中相關(guān)重要科學(xué)問(wèn)題的解答離不開(kāi)樊天慧團(tuán)隊(duì)的付出與努力。通過(guò)漂浮式風(fēng)電系統(tǒng)裝備示范工程背后的故事，我們不僅看到了由重大工程需求引導(dǎo)的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)創(chuàng)新，還感受到了奮斗在一線的青年科學(xué)家的格局視野。

“三峽引領(lǐng)號(hào)”海上一體化拖航

逐浪深海 實(shí)現(xiàn)漂浮式風(fēng)電零的突破

《廣東科技》：首先，請(qǐng)您介紹個(gè)人及所在機(jī)構(gòu)的基本情況。

樊天慧：我長(zhǎng)期從事海洋工程深遠(yuǎn)化、綠色化以及智能化的相關(guān)研究，主要包括海洋工程裝備，尤其是海洋可再生能源系統(tǒng)裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能分析與試驗(yàn)技術(shù)等。近年來(lái)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目，廣東省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目，廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目，廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目“粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)”等科研項(xiàng)目十余項(xiàng)。其中，廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目“浮式海上風(fēng)電平臺(tái)全耦合動(dòng)態(tài)分析及其裝置研發(fā)”總經(jīng)費(fèi)約1.7億元，研究成果已應(yīng)用轉(zhuǎn)化，支撐建設(shè)了我國(guó)首個(gè)漂浮式風(fēng)電系統(tǒng)裝備示范工程，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)漂浮式風(fēng)電零的突破。

華南理工大學(xué)船舶與海洋工程系創(chuàng)建于1958年，由土木與交通學(xué)院以及海洋科學(xué)與工程學(xué)院共同支撐，服務(wù)于海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、南海戰(zhàn)略以及“一帶一路”倡議，助力粵港澳大灣區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展。船舶與海洋工程系具有從培養(yǎng)船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)本科生，船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造、輪機(jī)工程、水聲工程專(zhuān)業(yè)的碩士研究生，船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè)博士研究生到博士后完整的人才培養(yǎng)體系，建系至今，為我國(guó)船舶工業(yè)、國(guó)防建設(shè)、海洋資源開(kāi)發(fā)、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)和部門(mén)培養(yǎng)了大批專(zhuān)業(yè)技術(shù)和管理人才，是華南地區(qū)唯一具備完整專(zhuān)業(yè)教育體系，培養(yǎng)船舶與海洋工程領(lǐng)域高層次專(zhuān)門(mén)人才的學(xué)科。船舶與海洋工程系設(shè)有華南地區(qū)最大的船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室、海岸與近海工程實(shí)驗(yàn)室、船舶與海洋工程先進(jìn)材料研究中心，可以進(jìn)行船舶快速性、耐波性、船體節(jié)能裝置、新型推進(jìn)器、海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力學(xué)分析、船舶與海洋新型材料等試驗(yàn)工作。院系積極開(kāi)展產(chǎn)品研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化、科技服務(wù)等方面的工作，設(shè)有廣東省甲級(jí)船舶設(shè)計(jì)資質(zhì)的船舶與海洋工程研究所、廣東省船舶與海洋工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心以及廣州現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院船舶技術(shù)研發(fā)中心。

“三峽引領(lǐng)號(hào)”示范工程錨泊系統(tǒng)回接

《廣東科技》：逐浪深海并非易事，在我國(guó)首個(gè)漂浮式風(fēng)電系統(tǒng)裝備示范工程項(xiàng)目中，您及團(tuán)隊(duì)付出了怎樣的努力？

樊天慧：我國(guó)海上風(fēng)能資源十分豐富，尤其南海海域風(fēng)能資源最具開(kāi)發(fā)潛力。南海具有特殊的戰(zhàn)略地位和復(fù)雜的地緣態(tài)勢(shì)，開(kāi)發(fā)南海深水區(qū)的風(fēng)力資源對(duì)搶占南海戰(zhàn)略資源、確保我國(guó)海洋國(guó)土權(quán)益、實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)都有重要的戰(zhàn)略意義。海上漂浮式風(fēng)資源開(kāi)發(fā)裝備是開(kāi)發(fā)南海深遠(yuǎn)海風(fēng)資源的必由之路，部分歐洲國(guó)家已從漂浮式風(fēng)電示范工程步入商業(yè)化之路，而此前我國(guó)在海上漂浮式風(fēng)電示范工程方面還是空白。

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)海上風(fēng)電零的突破，我們對(duì)漂浮式風(fēng)電系統(tǒng)裝備性能分析、設(shè)計(jì)及物理模型試驗(yàn)方法中的公認(rèn)難題和普遍問(wèn)題展開(kāi)了大量、深入的研究工作，取得了系列創(chuàng)新性成果：

分析方法方面，我們揭示了海床摩擦力對(duì)錨泊阻尼的影響機(jī)理，提出了錨泊阻尼計(jì)算新方法和基于Laplace變換的等價(jià)狀態(tài)空間漂浮式風(fēng)電動(dòng)力性能分析方法，大幅提高了計(jì)算精度與效率。

設(shè)計(jì)方法方面，我們突破了錨泊只能約束水平運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)認(rèn)知，提出了適用于漂浮式風(fēng)電的錨泊設(shè)計(jì)新方法及新形式，不僅大幅減小了風(fēng)電裝備的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，還進(jìn)一步控制了工程成本。

試驗(yàn)方法方面，我們通過(guò)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室低雷諾數(shù)條件下的模型葉片設(shè)計(jì)新方法，實(shí)現(xiàn)了全風(fēng)速推力相似，運(yùn)用錨泊靜動(dòng)力等效截?cái)嗟钠∈浇Y(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了浮式結(jié)構(gòu)波頻和低頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的高精度模擬，形成了多場(chǎng)、多尺度條件下真實(shí)有效的高精度模型試驗(yàn)方法。

應(yīng)用轉(zhuǎn)化方面，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司投資約3億元，成功建設(shè)了我國(guó)首個(gè)漂浮式風(fēng)力發(fā)電示范工程“三峽引領(lǐng)號(hào)”，并已認(rèn)定為我國(guó)能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備項(xiàng)目，成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)海上漂浮式風(fēng)電零的突破。我們?cè)?021海洋清潔能源技術(shù)與裝備高峰論壇、第七屆中國(guó)海上風(fēng)電大會(huì)及2020年嶺南科學(xué)論壇上，均就海上漂浮式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝備研發(fā)作主題報(bào)告。

需求牽引 優(yōu)化基礎(chǔ)研究資助管理

《廣東科技》：在研究過(guò)程中，有涉及基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究嗎？您是如何開(kāi)展相關(guān)工作的？

樊天慧：海洋工程作為典型的工科，我們主要進(jìn)行的是由重大工程需求引導(dǎo)的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)創(chuàng)新。海上風(fēng)電是海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、服務(wù)“雙碳”目標(biāo)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，漂浮式風(fēng)電開(kāi)發(fā)則是風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)走向深遠(yuǎn)海的必由之路，因此，我們根據(jù)海上漂浮式風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要，瞄準(zhǔn)了其中需要解決的重要科學(xué)問(wèn)題。

舉例來(lái)說(shuō)，海上固定式與漂浮式風(fēng)電開(kāi)發(fā)最主要區(qū)別為，固定式海上風(fēng)電裝備是通過(guò)結(jié)構(gòu)變形來(lái)抵抗外部荷載，而漂浮式風(fēng)電是通過(guò)錨泊系統(tǒng)連接到海底，屬柔性順應(yīng)式結(jié)構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)來(lái)抵抗外部荷載，因此，錨泊系統(tǒng)是決定漂浮式海上風(fēng)電裝備性能的關(guān)鍵因素。錨泊阻尼一定程度上決定了低頻共振運(yùn)動(dòng)的幅值，而100米以下水深錨泊系統(tǒng)的強(qiáng)非線性特征又決定了整體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性能。我們抓住上述實(shí)際需求，提出了新的考慮海底摩擦力的阻尼計(jì)算方法，揭示了淺水錨泊系統(tǒng)的非線性作用機(jī)理，這屬于基礎(chǔ)研究范疇。

樊天慧在中國(guó)海上風(fēng)電大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)際峰會(huì)上作主旨演講

基于上述基礎(chǔ)研究，我們又細(xì)化了適合南海漂浮式風(fēng)電裝備的錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，形成相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，填補(bǔ)了領(lǐng)域空白，解決了重要技術(shù)問(wèn)題。隨后，我們進(jìn)一步創(chuàng)新，提出了新型空間分布式錨泊形式，極大提高了裝備性能并降低了成本。這就是典型的應(yīng)用基礎(chǔ)創(chuàng)新。

《廣東科技》：在基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，國(guó)內(nèi)外有哪些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒？

樊天慧：首先，可以考慮優(yōu)秀項(xiàng)目滾動(dòng)支持?；A(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金類(lèi)項(xiàng)目通常體量不大，但解決的關(guān)鍵問(wèn)題相對(duì)集中。項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)，除了形成優(yōu)秀的創(chuàng)新性成果，往往還會(huì)伴隨發(fā)現(xiàn)新的系統(tǒng)性問(wèn)題。對(duì)于此類(lèi)優(yōu)秀項(xiàng)目以及信譽(yù)良好的科技工作者，可考慮給予滾動(dòng)資助支持，提高研究的系統(tǒng)性與連續(xù)性，使科研工作者免于配合各類(lèi)申請(qǐng)，專(zhuān)心在研究領(lǐng)域作出系列創(chuàng)新成果。

第二，提高項(xiàng)目管理自主性（包括經(jīng)費(fèi)與技術(shù)路線）。目前，部分試點(diǎn)項(xiàng)目推出了包干制，但是大部分對(duì)預(yù)算的要求特別高，甚至預(yù)算也需做詳細(xì)的財(cái)務(wù)審計(jì)?？茖W(xué)探索具備一定的不確定性，經(jīng)費(fèi)預(yù)算、技術(shù)路線也常有微小變更。因此，在項(xiàng)目評(píng)價(jià)上，可以考慮容許技術(shù)路線某些細(xì)節(jié)的變更，更注重總體目標(biāo)和成果的考察和評(píng)價(jià)；經(jīng)費(fèi)預(yù)算上，考慮給予項(xiàng)目負(fù)責(zé)人更高的自主權(quán)，合理利用經(jīng)費(fèi)，充分發(fā)揮預(yù)算的助力。

第三，鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)推動(dòng)的創(chuàng)新。美國(guó)除了財(cái)政經(jīng)費(fèi)支持外，其工業(yè)聯(lián)合體在明確自身問(wèn)題和訴求的基礎(chǔ)上，也會(huì)設(shè)立一些專(zhuān)項(xiàng)研究基金，由學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界組成聯(lián)合項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)共同完成科研攻關(guān)，學(xué)術(shù)成果共享給工業(yè)聯(lián)合體（資金提供方）。廣東省自然科學(xué)基金委關(guān)于海上風(fēng)電聯(lián)合基金的嘗試就很好地邁出了這一步，但在具體題目的提出、執(zhí)行和結(jié)題等方面，還是貼近原有體系。如果聯(lián)合基金后續(xù)執(zhí)行效果良好，可以考慮讓工業(yè)界更多地參與到立項(xiàng)過(guò)程中，并根據(jù)出資情況，在立項(xiàng)階段就明確成果的共享屬性，讓科研成果切實(shí)助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

樊天慧在“三峽引領(lǐng)號(hào)”碼頭安裝現(xiàn)場(chǎng)

苦練內(nèi)功 寄語(yǔ)青年提升格局、開(kāi)闊視野

《廣東科技》：結(jié)合工作實(shí)際，談?wù)勄嗄昕茖W(xué)家/青年科技工作者如何提高基礎(chǔ)研究創(chuàng)新能力？

樊天慧：結(jié)合個(gè)人科研經(jīng)驗(yàn)，我認(rèn)為青年科學(xué)家/青年科技工作者可從以下幾個(gè)方面著手：

一是提升戰(zhàn)略高度。我認(rèn)為青年科學(xué)家/青年科技工作者常見(jiàn)的問(wèn)題就是缺乏更高的視角與系統(tǒng)的布局，提升戰(zhàn)略高度與開(kāi)闊格局視野，可以更好地把握科研方向，凝練科學(xué)問(wèn)題。

二是提高凝練關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題的能力。對(duì)工科而言，提出問(wèn)題、凝練問(wèn)題的能力是科技創(chuàng)新的核心和根本，怎么把產(chǎn)業(yè)、工程上的問(wèn)題，從科研基礎(chǔ)創(chuàng)新的角度提出來(lái)并凝練成關(guān)鍵的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，是提高基礎(chǔ)研究創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。

三是打好研究基礎(chǔ)。任何創(chuàng)新都不是無(wú)源之水、無(wú)根之木，創(chuàng)新一定是建立在優(yōu)秀的科研基本功、良好的研究基礎(chǔ)上的。這就要求青年科學(xué)家/青年科技工作者要奮斗在一線，夯實(shí)自己的科研業(yè)務(wù)能力。

四是保持較高的文獻(xiàn)閱讀量。堅(jiān)持專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)的閱讀，了解世界范圍內(nèi)本領(lǐng)域科學(xué)家的研究方向、研究進(jìn)展、研究方法并研判可能的發(fā)展趨勢(shì)；對(duì)跨學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行有意識(shí)地探索和了解，尤其是數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料、計(jì)算機(jī)等學(xué)科，最新的研究成果和方向往往對(duì)本學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題有一定影響。只有對(duì)世界范圍內(nèi)多學(xué)科的科研工作、進(jìn)展與成果有了充分的了解，才能水到渠成地開(kāi)展創(chuàng)新研究工作。

《廣東科技》：在提高學(xué)生創(chuàng)新能力及綜合素質(zhì)方面，您有什么建議？又到了高考之際，對(duì)考生有何寄語(yǔ)或祝福？

樊天慧：學(xué)生創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，可以從培養(yǎng)戰(zhàn)略格局、了解前沿技術(shù)入手，夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。華南理工大學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)方向上做了很多有益的嘗試，包括：開(kāi)設(shè)新生研討課，與學(xué)生研討學(xué)科大背景與大方向，如我和其他3位教授聯(lián)合主講了新生研討課《海洋工程與國(guó)家海洋戰(zhàn)略》，培養(yǎng)學(xué)生大局觀，調(diào)動(dòng)學(xué)生愛(ài)國(guó)熱情；開(kāi)設(shè)學(xué)科前沿技術(shù)課程，如我在《海洋工程前沿技術(shù)》課程中，為學(xué)生講解世界范圍內(nèi)海洋工程發(fā)展的前沿進(jìn)展，提升學(xué)生國(guó)際視野；打造重視基礎(chǔ)課程的培養(yǎng)方案，為學(xué)生繼續(xù)深造以及工作提供良好支撐；開(kāi)設(shè)豐富的實(shí)習(xí)實(shí)踐課程，通過(guò)“大學(xué)生研究計(jì)劃”等活動(dòng)讓學(xué)生盡早參與實(shí)際科研，華南理工大學(xué)也在歷屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)。

在高考之際，希望廣大青年能做到胸中有火，眼里有光，既要眼望星空，又得腳踏實(shí)地，扎扎實(shí)實(shí)奮斗，為中華民族的偉大復(fù)興貢獻(xiàn)自己的力量。

《廣東科技》：最后，請(qǐng)您講述個(gè)人研究領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

樊天慧：就個(gè)人的研究方向（海上風(fēng)電裝備研發(fā)），我簡(jiǎn)單談?wù)勎磥?lái)發(fā)展趨勢(shì)。

一是在解決了海上風(fēng)電裝備能否建設(shè)的問(wèn)題后，如何更好地建設(shè)和降本增效將是下一階段的主要目標(biāo)，包括更高效、更精準(zhǔn)的分析方法，更適宜的設(shè)計(jì)方法，新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，更精準(zhǔn)的試驗(yàn)方法及新材料使用等。

二是海上風(fēng)電正處于建設(shè)大發(fā)展階段，3年~5年后，運(yùn)維裝備與智能運(yùn)維是我們必將面臨的問(wèn)題，因此，研發(fā)專(zhuān)業(yè)高效、高通達(dá)性、窗口期長(zhǎng)且適用于我國(guó)海域的風(fēng)電運(yùn)維裝備是我們現(xiàn)在必須著手進(jìn)行的工作。智能化則是海上風(fēng)電運(yùn)維發(fā)展的主要方向，包括基于數(shù)字孿生的海上風(fēng)電場(chǎng)智能健康監(jiān)測(cè)，基于智能系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)、無(wú)人船現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，基于大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)的虛擬專(zhuān)家輔助決策系統(tǒng)等。

三是海上風(fēng)電場(chǎng)綜合利用。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)走進(jìn)深遠(yuǎn)海，長(zhǎng)距離電力輸送將造成成本的增加，海上風(fēng)電場(chǎng)綜合利用將是海上風(fēng)電領(lǐng)域研究的趨勢(shì)之一。比如，發(fā)展分布式海上風(fēng)電制氫，將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為氫氣資源，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸；海上風(fēng)電場(chǎng)與海洋牧場(chǎng)、海上旅游、島礁建設(shè)等的綜合利用，也都為海上風(fēng)電場(chǎng)綜合利用提供了新的思路。

四是超服役期裝備拆解問(wèn)題。從環(huán)境與生態(tài)保護(hù)的角度出發(fā)，我們要考慮到服役期過(guò)后海上風(fēng)電裝備的拆解問(wèn)題，包括如何安全拆除、二次利用已拆除裝備等。

目前，我們正在研發(fā)可對(duì)水下構(gòu)筑物進(jìn)行檢測(cè)探傷與修復(fù)作業(yè)的水下機(jī)器人，也在開(kāi)展海上風(fēng)電運(yùn)維裝備與技術(shù)的科研攻關(guān)工作，如開(kāi)發(fā)智能數(shù)字孿生系統(tǒng)等對(duì)海上風(fēng)電設(shè)備進(jìn)行智能健康監(jiān)測(cè)。未來(lái)，針對(duì)海洋工程向深遠(yuǎn)化、綠色化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)，我們將繼續(xù)深耕，從裝備研發(fā)到智能運(yùn)維全產(chǎn)業(yè)鏈支撐海上風(fēng)電的發(fā)展，擴(kuò)展風(fēng)能多能互補(bǔ)與綜合利用的可能性。

（本文素材及圖片由受訪者提供）