碳中和背景下風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

郭耀華 姚燁 陳廣思

［摘 要］ 新時(shí)代以碳中和為目標(biāo)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，對(duì)高校新興專業(yè)人才培養(yǎng)提出了迫切的需求，尤其體現(xiàn)在畢業(yè)生的動(dòng)手實(shí)踐與創(chuàng)新能力方面。天津大學(xué)結(jié)合社會(huì)對(duì)人才的需求，新設(shè)了風(fēng)能工程專業(yè)，快速設(shè)計(jì)并建立了雙校區(qū)雙平臺(tái)開放運(yùn)行的風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以滿足本科生及研究生的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)及科研使用需求。單個(gè)該平臺(tái)可同時(shí)進(jìn)行四種不同土/水質(zhì)模型試驗(yàn)，且具有向上的擴(kuò)展性。平臺(tái)配備有同時(shí)進(jìn)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(tái)運(yùn)行多年以來，師生均認(rèn)為平臺(tái)設(shè)計(jì)合理、功能齊全、操作便捷，該平臺(tái)能夠滿足風(fēng)電基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)功能需求，一直處于滿負(fù)荷狀態(tài)。

［關(guān)鍵詞］ 碳中和；風(fēng)電基礎(chǔ)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；平臺(tái)設(shè)計(jì)

［基金項(xiàng)目］ 2020年度國家自然科學(xué)基金委員會(huì)國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“深海復(fù)雜環(huán)境下寬淺型筒型基礎(chǔ)整機(jī)沉放姿態(tài)控制方法及機(jī)理研究”（51909188）

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

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）20-0001-05［收稿日期］ 2022-03-06

目前我國燃煤發(fā)電占總發(fā)電量的比例遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家，而人均用電量和可再生能源占比遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家。在“30·60”雙碳目標(biāo)及“十四五能源規(guī)劃”中能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的目標(biāo)下，一場以大力開發(fā)利用可再生能源為主題的能源革命正在大勢興起，風(fēng)電在這一偉大目標(biāo)中必將“擔(dān)當(dāng)大任”，迎來大好的發(fā)展趨勢。我國陸上及海上風(fēng)電起步較晚，但在國家政策支持下，近幾年發(fā)展迅速，目前風(fēng)電裝機(jī)容量已連續(xù)12年全球第一。

在我國陸上及海上風(fēng)電市場發(fā)展迅速的同時(shí)，社會(huì)對(duì)新能源人才尤其是風(fēng)電人才也有著迫切需求［1-2］。目前風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一般為原水電或房建專業(yè)轉(zhuǎn)型而來，缺少風(fēng)電結(jié)構(gòu)專業(yè)型人才。高校內(nèi)教師、教材及配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)等未能根據(jù)實(shí)際情況緊跟社會(huì)需求，教學(xué)與新能源領(lǐng)域脫節(jié)。面對(duì)此問題，部分高校從交叉學(xué)科等著手建立風(fēng)能工程及風(fēng)電結(jié)構(gòu)等學(xué)科專業(yè)，并嘗試制訂系統(tǒng)的培養(yǎng)方案［3-5］。風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)理論知識(shí)體系正在不斷地發(fā)展和完善當(dāng)中，但與之配套的本科及研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案與裝置卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際需求。

本文以天津大學(xué)風(fēng)能工程專業(yè)風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為例，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的意義、方案設(shè)計(jì)、應(yīng)用及效果等多方面進(jìn)行系統(tǒng)的介紹，探討新時(shí)代碳中和背景下風(fēng)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)的最佳方案。

一、風(fēng)電基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)意義

風(fēng)機(jī)基需要承受機(jī)組及塔筒傳遞下來的360°長期往復(fù)循環(huán)荷載作用，同時(shí)陸上及海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型又多種多樣，使得基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特性極為復(fù)雜。風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的安全性及風(fēng)電場開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性有著極大的影響，為了規(guī)范風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我國國家能源局分別于2018年及2019年頒布了《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》《陸上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》兩本行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但目前依舊缺少相應(yīng)的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。在上述兩本行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頒布之前，我國二十多年風(fēng)電發(fā)展過程中，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直處于套用建筑地基、高聳結(jié)構(gòu)及煙囪等專業(yè)規(guī)范的狀態(tài)，因此也發(fā)生了多起倒塔、傾覆、基礎(chǔ)松動(dòng)等事故。

風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在安全及經(jīng)濟(jì)性上存在的諸多問題，反映出了高校對(duì)新能源行業(yè)專業(yè)型人才培養(yǎng)體系的缺失或不完善。部分高校結(jié)合社會(huì)發(fā)展需求，新設(shè)了部分風(fēng)電結(jié)構(gòu)專業(yè)課程及專業(yè)，從一定程度上解決了市場對(duì)新興行業(yè)人才及專業(yè)知識(shí)的需求［6-9］。對(duì)處于起步階段的新專業(yè)，必然要建構(gòu)其特殊的知識(shí)體系并不斷完善和進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，但是目前在風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面卻依舊處于空白狀態(tài)。

高校亟需結(jié)合風(fēng)電專業(yè)課程需求，以及專業(yè)理論課程中陸上及海上結(jié)構(gòu)受力機(jī)理與特點(diǎn)，研發(fā)適用于本科教學(xué)、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、本科生實(shí)驗(yàn)探索、研究生教學(xué)，以及科研的陸上與海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)的使用及應(yīng)用效果進(jìn)行考核與評(píng)估，并不斷進(jìn)行調(diào)整和完善。

二、風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

（一）風(fēng)電基礎(chǔ)分區(qū)域土/水槽設(shè)計(jì)

我國陸地及海域面積遼闊，各區(qū)域地質(zhì)情況差異極大，為了從最大限度上滿足陸上及海上風(fēng)電基礎(chǔ)所處區(qū)域地質(zhì)情況差異的模擬需求，同時(shí)結(jié)合不同比尺模型試驗(yàn)要求，新建的風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擬設(shè)置四個(gè)4 m×4 m×2 m下沉式土/水槽，同時(shí)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(hào)土槽分別填放有細(xì)砂、中砂、粉土、淤泥質(zhì)黏土四種土質(zhì)，可開展不同土質(zhì)的模擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，土槽底部設(shè)置有排水管道，可根據(jù)模擬情況需要進(jìn)行飽和與非飽和土質(zhì)模擬。

（二）風(fēng)電基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)加載裝置設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)體系上來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于頭重腳輕的結(jié)構(gòu)物，運(yùn)行中的風(fēng)電機(jī)組承受著360°方向重復(fù)荷載和大偏心荷載作用，因此會(huì)對(duì)塔筒（塔架）與底部基礎(chǔ)的連接部位產(chǎn)生極大的荷載作用。風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)需要承受上部機(jī)組及塔筒傳遞下來的往復(fù)循環(huán)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(zhì)土槽提供了充分地質(zhì)模擬條件的基礎(chǔ)上，V-H-M-T荷載也需要通過相應(yīng)的加載裝置進(jìn)行充分的模擬。為了滿足四個(gè)土槽內(nèi)均可進(jìn)行組合荷載加載實(shí)驗(yàn)，加載裝置應(yīng)具有可移動(dòng)的功能，因此設(shè)計(jì)了多向可移動(dòng)式加載反力架，反力架上設(shè)置有水平及豎向液壓千斤頂（見圖2）。

三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用及效果

風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建成后，可提供多種土質(zhì)復(fù)合荷載作用下風(fēng)電基礎(chǔ)承載力及沉放等大比尺室內(nèi)模型試驗(yàn)，可充分滿足“新能源技術(shù)”“風(fēng)能工程”及“水電及風(fēng)電工程實(shí)驗(yàn)技能”等專業(yè)課程的本科生與研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，并通過大型儀器設(shè)備共享平臺(tái)向校內(nèi)外人員提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

（一）風(fēng)電基礎(chǔ)承載力本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)

風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可為“新能源技術(shù)”“風(fēng)能工程”及“巖土力學(xué)”等本科課程提供相應(yīng)的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)教學(xué)場地，主要通過大比尺模型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生明白風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的荷載特點(diǎn)、承載模式及機(jī)理、失效模式、土質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響等，如圖3所示。以筒型基礎(chǔ)沉放及水平承載力實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生通過動(dòng)手操作，明白了筒型基礎(chǔ)壓差沉放原理及在位承載機(jī)理，直觀地看到了基礎(chǔ)可能會(huì)由于土質(zhì)或設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的整體傾覆風(fēng)險(xiǎn)，意識(shí)到結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真負(fù)責(zé)，從而提升了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力、增強(qiáng)了他們的責(zé)任意識(shí)，達(dá)到了很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（二）新型基礎(chǔ)本科畢設(shè)及大創(chuàng)實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步提高新興風(fēng)電專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在滿足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提下，對(duì)本科畢設(shè)及參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的學(xué)生也通過預(yù)約的方式開放（見圖4）。本科學(xué)生在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)及綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支撐下，可快速地將新想法、新思路、新結(jié)構(gòu)等通過模型試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行檢驗(yàn)、驗(yàn)證和調(diào)整，進(jìn)而高效地形成較為可行的方案，大大提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的積極性、主動(dòng)性。綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自建成以來，對(duì)學(xué)生參加各類型實(shí)驗(yàn)競賽提供了支持，取得了多項(xiàng)國際及國家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，達(dá)到了很好的使用效果。

（三）研究生教學(xué)及科研實(shí)驗(yàn)

天津大學(xué)衛(wèi)津路校區(qū)風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自建成以來，得到了廣大師生的積極好評(píng)，認(rèn)為平臺(tái)設(shè)計(jì)合理、功能齊全、操作便捷，能夠很好地滿足各項(xiàng)風(fēng)電基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的功能需求，因此平臺(tái)使用一直處于滿負(fù)荷狀態(tài)。為了更好地滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研使用需求，我們于2018年在天津大學(xué)北洋園校區(qū)按照1∶1的比例，新建了一座風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)部分功能進(jìn)行了升級(jí)。以此兩個(gè)風(fēng)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，展開了海上風(fēng)電新型筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研發(fā)，此新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)除具有可借助筒內(nèi)外壓差進(jìn)行海上快速安裝及承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)外，其內(nèi)部充氣后可具有一定的自浮穩(wěn)性，并已在我國多個(gè)海上風(fēng)電場上得到了成功的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了科研成果的快速轉(zhuǎn)化。尤其在我國近幾年海上風(fēng)電“搶裝潮”及“平價(jià)上網(wǎng)”背景下，我國從南到北多個(gè)海上風(fēng)電場大規(guī)模批量應(yīng)用了諸如鋼混/鋼質(zhì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)、單立柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)、三筒/四筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)、首臺(tái)漂浮式風(fēng)機(jī)底部系泊吸力桶基礎(chǔ)等多種類型吸力樁/桶/筒型基礎(chǔ)，更是凸顯了吸力樁/桶/筒型基礎(chǔ)在海上風(fēng)電“平價(jià)化”時(shí)代的突出優(yōu)勢與巨大發(fā)展?jié)摿??；诖似脚_(tái)開展的大量科研研究，為2020年天津市技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)“海上風(fēng)電新型筒型基礎(chǔ)與高效安裝成套技術(shù)”提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

在雙校區(qū)、雙平臺(tái)共享運(yùn)行模式下，可給予在讀研究生進(jìn)行更多的探索性實(shí)驗(yàn)（見圖5），為我國新興新能源領(lǐng)域培養(yǎng)了大量的急需人才，并得到了各用人單位的好評(píng)。教研室教師將繼續(xù)緊跟祖國和時(shí)代需求，努力改進(jìn)教學(xué)方式、提升教學(xué)條件，以期為國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型及風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)規(guī)劃做出更多的貢獻(xiàn)。

結(jié)語

新時(shí)代以大力開發(fā)可再生能源為主的能源革命為我國能源轉(zhuǎn)型及產(chǎn)業(yè)革命帶來了新的契機(jī)，同時(shí)新興新能源產(chǎn)業(yè)對(duì)高校人才培養(yǎng)也提出了較高的要求，尤其體現(xiàn)在畢業(yè)生的動(dòng)手實(shí)踐能力方面。以天津大學(xué)新設(shè)風(fēng)能工程專業(yè)中的風(fēng)電基礎(chǔ)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為例，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的重要意義、土/水槽及加載裝置設(shè)計(jì)、平臺(tái)應(yīng)用及效果等多方面進(jìn)行的系統(tǒng)總結(jié)可以看出，綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)合理，能夠充分滿足本科生及研究生的課程教學(xué)及科研使用需求；共享開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的積極性和主動(dòng)性，并通過平臺(tái)對(duì)想法進(jìn)行檢驗(yàn)和改進(jìn)，提高了科研轉(zhuǎn)化效率；基于平臺(tái)培養(yǎng)出的本科生及研究生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力有了顯著的提高，得到了社會(huì)及用人單位的一致好評(píng)。綜上，此新興專業(yè)開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案及教學(xué)模式綜合效果評(píng)價(jià)，在高校中具有很好的推廣應(yīng)用性。

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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