向風(fēng)發(fā)電挺進(jìn)深遠(yuǎn)海
——記上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院特聘教授高震

王 芳 劉玉杰

翻開地圖，從渤海灣出發(fā)，沿東部海岸線一路曲折向南直到北部灣，20余家主要海上風(fēng)電裝備產(chǎn)業(yè)園與基地如藤上果實，錯落有致分布其間。截至2022年年底，我國海上風(fēng)電累計裝機(jī)容量達(dá)3051萬千瓦，持續(xù)領(lǐng)跑全球。2023年5月，在海上固定風(fēng)機(jī)占據(jù)主體地位之際，我國第三臺已建漂浮式風(fēng)機(jī)樣機(jī)、首座深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電平臺“海油觀瀾號”成功并入文昌油田群電網(wǎng)，標(biāo)志著我國深遠(yuǎn)海風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)取得重大進(jìn)展。

十余年面朝大海，我國海上風(fēng)電自潮間帶、淺海起步，如今正朝深遠(yuǎn)海穩(wěn)步挺進(jìn)。在全球減排與積極利用可再生能源的背景下，海上風(fēng)電已迎來大規(guī)模發(fā)展浪潮，漂浮式風(fēng)機(jī)正處于商業(yè)化發(fā)展的前期。作為新時期能源發(fā)展的主攻方向，包括海上風(fēng)電在內(nèi)的綠色可再生能源的發(fā)展已上升至國家戰(zhàn)略層面。抓住機(jī)遇，攻克海上風(fēng)機(jī)尤其是漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)瓶頸和產(chǎn)業(yè)化難題，事關(guān)國計民生，吸引著諸多科研人才加入進(jìn)來，不斷深化基礎(chǔ)研究和推動新型技術(shù)應(yīng)用。

上海交通大學(xué)（以下簡稱“上海交大”）特聘教授、教育部長江講席學(xué)者、挪威技術(shù)科學(xué)院院士高震，正是在祖國的召喚下，于2022年年底從挪威歸來，投身我國海上風(fēng)電的大規(guī)模、高質(zhì)量建設(shè)。自主研發(fā)超大型海上風(fēng)機(jī)，推出成本更低的新型海上安裝和運維方案并迅速推廣海上風(fēng)電。將海風(fēng)的充足動能轉(zhuǎn)換為電能，源源不斷輸送給萬千用戶，便是海上風(fēng)機(jī)專家高震的初心所在。

2014年高震（第三排右一）與大家共聚一堂慶祝托蓋爾·蒙恩（Torgeir Moan，第一排左六）和奧德·馬格努斯·福爾廷森（Odd Magnus Faltinsen，第一排左七）兩位教授七十大壽

向?？蒲?，從船舶轉(zhuǎn)向海上風(fēng)機(jī)

1977年，高震出生于浙江省平湖市。高中畢業(yè)，懷著對蔚藍(lán)大海的向往，他報考了上海交大船舶與海洋工程專業(yè)。在本科學(xué)習(xí)期間，他成績常年第一，2000年畢業(yè)之際獲上海市優(yōu)秀畢業(yè)生榮譽(yù)。上海交大的顧永寧教授是高震科研路上的早期引路人?！拔业谋究飘厴I(yè)設(shè)計就是跟著顧教授做的，由此開啟了船舶與海洋平臺載荷計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究。之后，我又跟隨顧教授攻讀碩士學(xué)位，致力于船舶碰撞數(shù)值模擬與浮式生產(chǎn)儲油船船側(cè)結(jié)構(gòu)防撞研究。”顧永寧教授曾在20世紀(jì)80年代訪問挪威，在擁有百年歷史的挪威船級社交流一年，正是在他的推薦下，高震于2003年前往挪威科技大學(xué)讀博。

高震的博士生導(dǎo)師是中國工程院外籍院士、海洋工程專家托蓋爾·蒙恩（Torgeir Moan）教授。蒙恩教授是挪威科技大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物研究中心（CeSOS）的主任?！把芯恐行臅哿?～10名來自水動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)與動力學(xué)、海洋結(jié)構(gòu)物控制理論等不同研究方向的教授，大家優(yōu)勢互補(bǔ)合作研究?！迸餐暮Ｑ蠊こ萄芯考葟?qiáng)調(diào)基礎(chǔ)科研工作，又重視工程應(yīng)用與實踐。高校、科研院所與工程公司、油氣公司等合作緊密，形成濃厚的工程應(yīng)用氛圍，高震在讀博期間深受熏陶。2008年畢業(yè)時，他獲得了挪威科技大學(xué)應(yīng)用研究領(lǐng)域?？松梨谧罴巡┦空撐莫?。

積極響應(yīng)市場的需求，敏銳感知趨勢的變化，是優(yōu)秀工程應(yīng)用研究專家的必備素養(yǎng)。2008年畢業(yè)后，高震繼續(xù)在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物研究中心從事博士后研究。此時，正值歐洲海上風(fēng)電商業(yè)化開發(fā)前期?！拔业牟┦可鷮?dǎo)師看到了其中的前景，在他的帶領(lǐng)下，依托研究中心，我開展了一系列海上風(fēng)電研究，其中主要以漂浮式風(fēng)機(jī)耦合分析為主?！?011年夏天，在歐洲海上風(fēng)電進(jìn)入大功率時代的浪潮中，高震也憑借優(yōu)異表現(xiàn)，博士后出站，正式加入挪威科技大學(xué)海洋工程系。此后，他歷任研究員、兼職副教授、教授。同時，他也在2017年至2021年擔(dān)任負(fù)責(zé)科研的副系主任，后因回國發(fā)展而卸任。

2008年高震（左一）博士答辯后與導(dǎo)師托蓋爾·蒙恩教授（右一）、夫人金晶哲（右二）和答辯委員會在一起

貢獻(xiàn)突出，榮膺挪威技術(shù)科學(xué)院院士

利用海上風(fēng)機(jī)發(fā)電，根據(jù)不同水深，有不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型與設(shè)計。大致以水深50～60米為界，小于此數(shù)值，使用固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)；大于此數(shù)值，需要使用漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。不同額定功率的風(fēng)機(jī)，即使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型一樣，其尺寸大小也要根據(jù)不同海域風(fēng)浪流條件設(shè)計。

隨著海上風(fēng)電不斷向大規(guī)模與深遠(yuǎn)海發(fā)展，高震的主要研究也傾向于漂浮式風(fēng)機(jī)。漂浮式風(fēng)機(jī)主要由風(fēng)機(jī)機(jī)組、塔架、浮體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)組成。合理設(shè)計整個漂浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，使之發(fā)電效率更高，在惡劣海況下更安全，是他的工作內(nèi)容。在加入挪威科技大學(xué)的10年中，跟隨國際前沿需求，高震主持了多個挪威科研理事會資助的科研項目，并參與了一系列由歐盟和挪威科研理事會資助的科研中心及項目工作，與美國國家可再生能源中心、荷蘭代爾夫特大學(xué)、丹麥科技大學(xué)、挪威國家石油公司，以及海上風(fēng)電相關(guān)工程公司等合作密切。他參與并推動了挪威科技大學(xué)海洋工程系從海上油氣平臺研究向海上風(fēng)機(jī)研究的轉(zhuǎn)變，為相關(guān)能源及工程公司發(fā)展漂浮式風(fēng)機(jī)提供了技術(shù)支撐。

海上風(fēng)機(jī)（特別是漂浮式風(fēng)機(jī)）在風(fēng)浪聯(lián)合激勵下載荷與響應(yīng)體現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性與耦合作用。為解決現(xiàn)有設(shè)計與計算方法的不完善性，高震與其導(dǎo)師及合作者共同提出了基于風(fēng)浪隨機(jī)載荷與響應(yīng)耦合分析的海上風(fēng)機(jī)一體化設(shè)計方法，成果應(yīng)用于大型及超大型（5～15兆瓦）漂浮式風(fēng)機(jī)浮體與系泊系統(tǒng)設(shè)計。研究成果首次解決了直接通過時域計算方法得到漂浮式風(fēng)機(jī)浮體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的建模問題。此外，他與合作者共同提出了海上風(fēng)機(jī)單機(jī)整體數(shù)值建模方法，并推動此建模方法與數(shù)值模型在風(fēng)機(jī)總體設(shè)計、機(jī)械裝置局部響應(yīng)計算與故障診斷中的應(yīng)用。以上成果均推動了海上風(fēng)機(jī)（特別是漂浮式風(fēng)機(jī)）的安全設(shè)計、精確計算、安全運營和成本降低。

在海上施工作業(yè)數(shù)值模擬及應(yīng)用方面，針對海上風(fēng)機(jī)安裝作業(yè)以人工操作為主、安裝效率與安全性差的現(xiàn)實狀況，高震與合作者首次共同提出并建立了以直接數(shù)值模擬為基礎(chǔ)、以系統(tǒng)運動與結(jié)構(gòu)響應(yīng)為準(zhǔn)則的海上施工可操作性和安全施工窗口的確定方法，提出風(fēng)機(jī)組件與整體海上安裝作業(yè)非穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)值計算方法。為解決人工安裝作業(yè)的局限性，高震與合作者還首次提出在海上風(fēng)機(jī)安裝過程中控制并降低葉片運動的方法，從而提高風(fēng)機(jī)葉片安裝效率與安全性。目前，在工業(yè)界，浮式風(fēng)電安裝船還未用于風(fēng)機(jī)葉片安裝，高震在研究自升式導(dǎo)管架安裝平臺動力特性的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬方法，研究浮式風(fēng)電安裝船動力特性及用于風(fēng)機(jī)葉片安裝的可行性，為推動海上風(fēng)電進(jìn)一步向深水海域發(fā)展提供參考。此外，他首次探索機(jī)器學(xué)習(xí)方法與數(shù)字驅(qū)動模型在短期風(fēng)浪預(yù)報中的應(yīng)用，并量化其不確定性及對海上安裝作業(yè)的影響。以上工作均促使風(fēng)機(jī)海上施工作業(yè)更高效、更安全。

另外，高震大膽創(chuàng)新、積極交流，不僅在海上風(fēng)電方面工作突出，其研究總體上還涉及海洋可再生能源、海上作業(yè)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法及數(shù)字驅(qū)動模型在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)力學(xué)、動力學(xué)與隨機(jī)載荷響應(yīng)分析，以及結(jié)構(gòu)可靠性與風(fēng)險評估，在相關(guān)方面均有亮眼的成果產(chǎn)出。

2020年，高震被授予挪威技術(shù)科學(xué)院院士稱號

基于卓越貢獻(xiàn)，2020年高震當(dāng)選挪威技術(shù)科學(xué)院院士。同時，他還是海洋工程領(lǐng)域國際期刊《海洋結(jié)構(gòu)物》（Marine Structures）副主編，以及多個國際學(xué)術(shù)會議組委會委員，并在2012年至2018年擔(dān)任國際船舶與海洋結(jié)構(gòu)大會（ISSC）近?？稍偕茉磳＜曳謺飨?。截至回國前后，他共計發(fā)表學(xué)術(shù)論文240篇，其中期刊文章145篇，會議文章95篇，谷歌學(xué)術(shù)搜索H指數(shù)為46，總引用量達(dá)6572。年紀(jì)不大，高震在海洋工程應(yīng)用領(lǐng)域取得如此成績十分不易。旅居海外20余年，功成名就之際，高震不禁想起祖國東部漫長迷人的海岸線、母校“飲水思源、愛國榮校”的校訓(xùn)。自出國起就希望有朝一日事業(yè)有成回國效力的他感到時機(jī)已經(jīng)成熟。

回國效力，推動漂浮式風(fēng)機(jī)規(guī)?；l(fā)展

截至2022年，全球風(fēng)機(jī)安裝容量906GW，其中842GW為陸地風(fēng)機(jī)，64GW為海上風(fēng)機(jī)，而中國風(fēng)機(jī)安裝容量為365GW，陸地風(fēng)機(jī)與海上風(fēng)機(jī)安裝容量均位居全球第一。國內(nèi)在風(fēng)電領(lǐng)域的大規(guī)模部署與強(qiáng)勁發(fā)展為高震的歸國打了一劑強(qiáng)心針。

雖然風(fēng)電在當(dāng)今電力使用中占比有限，但因其普適性及成本下降，各國都大力推動風(fēng)電，特別是海上風(fēng)電的發(fā)展。其中，漂浮式風(fēng)機(jī)在海上風(fēng)電中的占比雖小，一旦突破技術(shù)瓶頸，成本降低，便會大規(guī)模使用?！敖陙恚Ｉ巷L(fēng)電發(fā)展的經(jīng)驗已表明，風(fēng)機(jī)單機(jī)越大，單位兆瓦發(fā)電成本就越低。從過去的2～4MW、5～8MW，到目前主流的10～12MW，以及正在研發(fā)、測試的15～20MW，風(fēng)機(jī)單機(jī)正朝著大型化方向快速發(fā)展?！币虼耍哒鹬赋?，我國想要使超大型風(fēng)機(jī)葉片及機(jī)組從陸上產(chǎn)業(yè)園運至海上風(fēng)電場并迅速安裝，最終讓風(fēng)機(jī)順利并入電網(wǎng)輸送綠電，就必須合理設(shè)計建造和安裝過程、合理布局運維，降低成本以實現(xiàn)商業(yè)化。

懷著為國解憂的拳拳情懷，2022年高震受母校上海交大之邀任船舶海洋與建筑工程學(xué)院特聘教授，同年申請并入選教育部長江講席學(xué)者計劃?；貒两瘢哒鹉X海里最常思考的問題便是海上風(fēng)機(jī)設(shè)計與分析，以及工程應(yīng)用中的成本與效率?！拔椰F(xiàn)在的總體目標(biāo)就是在現(xiàn)有海上風(fēng)機(jī)基本工程設(shè)計與分析方法基礎(chǔ)上，完善并推動復(fù)雜與精確數(shù)值計算在風(fēng)機(jī)詳細(xì)設(shè)計中的直接應(yīng)用，以及在海上安裝與運維中的實時應(yīng)用，減小載荷、響應(yīng)與強(qiáng)度計算的不確定性，提高風(fēng)機(jī)設(shè)計的精度，降低風(fēng)機(jī)成本?！?/p>

在上海交大，高震將繼續(xù)致力海上風(fēng)機(jī)研究，以漂浮式風(fēng)機(jī)為主，兼顧固定式風(fēng)機(jī)，建立風(fēng)機(jī)多維度多系統(tǒng)（風(fēng)電場、單機(jī)與傳功裝置）在風(fēng)浪流隨機(jī)外載荷、風(fēng)機(jī)控制與機(jī)械振動聯(lián)合作用下的時域響應(yīng)計算方法，并推動此計算方法在風(fēng)機(jī)工程設(shè)計中的直接應(yīng)用，減少設(shè)計不確定性。此外，他將繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊根據(jù)實時測量數(shù)據(jù)，開發(fā)基于物理力學(xué)原理與機(jī)器學(xué)習(xí)聯(lián)合模型的波浪場與風(fēng)場短期預(yù)報方法，用于超大型海上風(fēng)機(jī)運行前饋控制，從而提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)載荷與響應(yīng)；同時，還會將風(fēng)浪短期預(yù)報方法與數(shù)值模型結(jié)合，進(jìn)行實時與超前數(shù)值模擬，用于海上風(fēng)機(jī)安裝船、運維船控制與施工決策，從而提高海上施工的效率與安全性。

身在高校，高震強(qiáng)調(diào)必須主動跟風(fēng)機(jī)設(shè)計與制造商、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造商、運維公司等國內(nèi)海上風(fēng)電企業(yè)合作，解決企業(yè)面臨的實際工程問題，推動成果盡快落地。同時，積極開展浮式光伏、波浪能和潮汐能等其他海洋可再生能源的早期研究。“以浮式結(jié)構(gòu)為主的海上光伏可能會是繼海上風(fēng)機(jī)之后能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的第二種主要海洋可再生能源。但目前，在全球，浮式光伏只能用于內(nèi)湖、水庫和極小海況條件的海域?！备哒鹣Ｍ铝τ谕苿舆m用于外海的新型（比如半潛式）浮式光伏的概念設(shè)計、數(shù)值模擬、實驗室與海上模型試驗，為浮式光伏的商業(yè)化作出貢獻(xiàn)。

早在國外時，高震就熱心于推動國內(nèi)與挪威的科研交流、人才培養(yǎng)。他多次推薦在國外的博士畢業(yè)生回國工作，并為國內(nèi)博士生和科研人員提供赴挪威交流訪問的機(jī)會。如今回國，他希望繼續(xù)發(fā)揮自己在國際上的影響力，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，直接推動上海交大與挪威科技大學(xué)在海洋工程學(xué)科建立碩士雙學(xué)位、博士聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制。通過自己在國際海洋工程領(lǐng)域的學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)，為更多優(yōu)秀的中國學(xué)者提供機(jī)會，積極吸引海外中國籍優(yōu)秀學(xué)者回國工作，并不斷促成海上風(fēng)電與海洋可再生能源方面的國際合作。

中國海上風(fēng)電的規(guī)?；c高質(zhì)量發(fā)展，離不開學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共同推動。如何讓更多人了解并接受這一新興行業(yè)，加入進(jìn)來，并開展面向整個海洋工程領(lǐng)域的交叉合作研究，十分值得思考。高震希望，高校能在其中發(fā)揮領(lǐng)頭羊作用，而他也會一如既往地貢獻(xiàn)力量。