碳中和背景下风电基础综合实验教学平台设计

［摘 要］ 新时代以碳中和为目标的能源结构转型，对高校新兴专业人才培养提出了迫切的需求，尤其体现在毕业生的动手实践与创新能力方面。天津大学结合社会对人才的需求，新设了风能工程专业，快速设计并建立了双校区双平台开放运行的风电基础综合实验教学平台，以满足本科生及研究生的实验课程教学及科研使用需求。单个该平台可同时进行四种不同土/水质模型试验，且具有向上的扩展性。平台配备有同时进行竖向荷载（V）、水平荷载（H）、弯矩荷载（M）及扭矩荷载（T）加载的装置。平台运行多年以来，师生均认为平台设计合理、功能齐全、操作便捷，该平台能够满足风电基础实验的各项功能需求，一直处于满负荷状态。

［关键词］ 碳中和；风电基础；实验教学；平台设计

［基金项目］ 2020年度国家自然科学基金委员会国家自然科学基金青年项目“深海复杂环境下宽浅型筒型基础整机沉放姿态控制方法及机理研究”（51909188）

［作者简介］ 郭耀华（1986—），男，河南林州人，博士，天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室工程师，主要从事新能源及水电实验研究；姚 烨（1987—），女，天津人，博士，天津大学建筑工程学院高级工程师（通信作者），主要从事新能源及水电实验研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）20-0001-05 ［收稿日期］ 2022-03-06

目前我国燃煤发电占总发电量的比例远高于发达国家，而人均用电量和可再生能源占比远低于发达国家。在“30·60”双碳目标及“十四五能源规划”中能源结构转型的目标下，一场以大力开发利用可再生能源为主题的能源革命正在大势兴起，风电在这一伟大目标中必将“担当大任”，迎来大好的发展趋势。我国陆上及海上风电起步较晚，但在国家政策支持下，近几年发展迅速，目前风电装机容量已连续12年全球第一。

在我国陆上及海上风电市场发展迅速的同时，社会对新能源人才尤其是风电人才也有着迫切需求［1-2］。目前风电基础结构设计人员一般为原水电或房建专业转型而来，缺少风电结构专业型人才。高校内教师、教材及配套实验教学等未能根据实际情况紧跟社会需求，教学与新能源领域脱节。面对此问题，部分高校从交叉学科等着手建立风能工程及风电结构等学科专业，并尝试制订系统的培养方案［3-5］。风电基础结构理论知识体系正在不断地发展和完善当中，但与之配套的本科及研究生实验教学方案与装置却远远落后于实际需求。

本文以天津大学风能工程专业风电基础综合实验教学平台为例，从实验教学平台建设的意义、方案设计、应用及效果等多方面进行系统的介绍，探讨新时代碳中和背景下风电实验教学平台设计的最佳方案。

一、风电基础实验教学平台建设意义

风机基需要承受机组及塔筒传递下来的360°长期往复循环荷载作用，同时陆上及海上风电基础结构类型又多种多样，使得基础结构受力特性极为复杂。风电基础结构对风电机组正常运行的安全性及风电场开发的经济性有着极大的影响，为了规范风电基础结构设计，我国国家能源局分别于2018年及2019年颁布了《海上风电场工程风电机组基础设计规范》《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》两本行业标准，但目前依旧缺少相应的强制性国家标准。在上述两本行业标准颁布之前，我国二十多年风电发展过程中，风电基础结构设计一直处于套用建筑地基、高耸结构及烟囱等专业规范的状态，因此也发生了多起倒塔、倾覆、基础松动等事故。

风电基础结构在安全及经济性上存在的诸多问题，反映出了高校对新能源行业专业型人才培养体系的缺失或不完善。部分高校结合社会发展需求，新设了部分风电结构专业课程及专业，从一定程度上解决了市场对新兴行业人才及专业知识的需求［6-9］。对处于起步阶段的新专业，必然要建构其特殊的知识体系并不断完善和进行实践检验，但是目前在风电基础结构实验教学方面却依旧处于空白状态。

高校亟需结合风电专业课程需求，以及专业理论课程中陆上及海上结构受力机理与特点，研发适用于本科教学、本科毕业设计、本科生实验探索、研究生教学，以及科研的陆上与海上风电基础结构综合实验教学平台，对平台的使用及应用效果进行考核与评估，并不断进行调整和完善。

二、风电基础综合实验平台设计

（一）风电基础分区域土/水槽设计

我国陆地及海域面积辽阔，各区域地质情况差异极大，为了从最大限度上满足陆上及海上风电基础所处区域地质情况差异的模拟需求，同时结合不同比尺模型试验要求，新建的风电基础综合实验平台拟设置四个4 m×4 m×2 m下沉式土/水槽，同时顶部高出地面2 m，组合后可形成8 m×8 m×4 m的大型土/水槽（见图1）。目前，1～4号土槽分别填放有细砂、中砂、粉土、淤泥质黏土四种土质，可开展不同土质的模拟实验。同时，土槽底部设置有排水管道，可根据模拟情况需要进行饱和与非饱和土质模拟。

（二）风电基础实验加载装置设计

从结构体系上来看，风力发电机组属于头重脚轻的结构物，运行中的风电机组承受着360°方向重复荷载和大偏心荷载作用，因此会对塔筒（塔架）与底部基础的连接部位产生极大的荷载作用。风电基础结构需要承受上部机组及塔筒传递下来的往复循环荷载，具体可分为竖向荷载（V）、水平荷载（H）、弯矩荷载（M）及扭矩荷载（T）。在多土质土槽提供了充分地质模拟条件的基础上，V-H-M-T荷载也需要通过相应的加载装置进行充分的模拟。为了满足四个土槽内均可进行组合荷载加载实验，加载装置应具有可移动的功能，因此设计了多向可移动式加载反力架，反力架上设置有水平及竖向液压千斤顶（见图2）。

三、实验平台应用及效果

风电基础综合实验平台建成后，可提供多种土质复合荷载作用下风电基础承载力及沉放等大比尺室内模型试验，可充分满足“新能源技术”“风能工程”及“水电及风电工程实验技能”等专业课程的本科生与研究生实验教学需求，并通过大型仪器设备共享平台向校内外人员提供实验平台。

（一）风电基础承载力本科教学实验

风电基础综合实验平台可为“新能源技术”“风能工程”及“岩土力学”等本科课程提供相应的动手实验教学场地，主要通过大比尺模型实验，使学生明白风电基础结构的荷载特点、承载模式及机理、失效模式、土质及结构形式对基础承载力的影响等，如图3所示。以筒型基础沉放及水平承载力实验教学实验为例，学生通过动手操作，明白了筒型基础压差沉放原理及在位承载机理，直观地看到了基础可能会由于土质或设计不合理而导致的整体倾覆风险，意识到结构工程师在进行基础结构设计时应认真负责，从而提升了学生主动学习的能力、增强了他们的责任意识，达到了很好的实验教学效果。

（二）新型基础本科毕设及大创实验

为进一步提高新兴风电专业学生的动手实践能力，综合实验平台在满足本科实验教学的前提下，对本科毕设及参加大学生创新创业大赛的学生也通过预约的方式开放（见图4）。本科学生在指导教师的指导及综合实验平台的支撑下，可快速地将新想法、新思路、新结构等通过模型试验平台进行检验、验证和调整，进而高效地形成较为可行的方案，大大提高了学生动手实践的积极性、主动性。综合实验平台自建成以来，对学生参加各类型实验竞赛提供了支持，取得了多项国际及国家级奖励，达到了很好的使用效果。

（三）研究生教学及科研实验

天津大学卫津路校区风电基础综合实验平台自建成以来，得到了广大师生的积极好评，认为平台设计合理、功能齐全、操作便捷，能够很好地满足各项风电基础实验的功能需求，因此平台使用一直处于满负荷状态。为了更好地满足实验教学及科研使用需求，我们于2018年在天津大学北洋园校区按照1∶1的比例，新建了一座风电基础综合实验平台，并对部分功能进行了升级。以此两个风电实验平台为基础，展开了海上风电新型筒型基础结构的研发，此新型基础结构除具有可借助筒内外压差进行海上快速安装及承载能力强的特点外，其内部充气后可具有一定的自浮稳性，并已在我国多个海上风电场上得到了成功的应用，实现了科研成果的快速转化。尤其在我国近几年海上风电“抢装潮”及“平价上网”背景下，我国从南到北多个海上风电场大规模批量应用了诸如钢混/钢质复合筒型基础、单立柱复合筒型基础、三筒/四筒导管架基础、首台漂浮式风机底部系泊吸力桶基础等多种类型吸力桩/桶/筒型基础，更是凸显了吸力桩/桶/筒型基础在海上风电“平价化”时代的突出优势与巨大发展潜力。基于此平台开展的大量科研研究，为2020年天津市技术发明特等奖“海上风电新型筒型基础与高效安装成套技术”提供了坚实的技术支撑。

在双校区、双平台共享运行模式下，可给予在读研究生进行更多的探索性实验（见图5），为我国新兴新能源领域培养了大量的急需人才，并得到了各用人单位的好评。教研室教师将继续紧跟祖国和时代需求，努力改进教学方式、提升教学条件，以期为国家能源结构转型及风电平价上网规划做出更多的贡献。

结语

新时代以大力开发可再生能源为主的能源革命为我国能源转型及产业革命带来了新的契机，同时新兴新能源产业对高校人才培养也提出了较高的要求，尤其体现在毕业生的动手实践能力方面。以天津大学新设风能工程专业中的风电基础综合实验教学平台设计及应用经验为例，从实验教学平台建设的重要意义、土/水槽及加载装置设计、平台应用及效果等多方面进行的系统总结可以看出，综合实验平台设计合理，能够充分满足本科生及研究生的课程教学及科研使用需求；共享开放实验平台可充分调动学生动手实践的积极性和主动性，并通过平台对想法进行检验和改进，提高了科研转化效率；基于平台培养出的本科生及研究生的动手实践和创新能力有了显著的提高，得到了社会及用人单位的一致好评。综上，此新兴专业开放式实验教学平台设计方案及教学模式综合效果评价，在高校中具有很好的推广应用性。

参考文献

［1］陈荣，赵仁德，郭静，等.新工科背景下基于项目驱动的新能源课程群教学模式探索［J］.大学教育，2020（3）：49-51.

［2］郭小峰.构建中国低碳人才政策支撑体系［J］.技术经济与管理研究，2018（11）：42-48.

［3］尹少武，冯妍卉，姜泽毅，等.能源与动力工程专业创新实践型人才培养模式探究［J］.高等工程教育研究，2019（S1）：182-184.

［4］刘琳，杨文茵，黄琳华.新能源风电技术人才成长最优路径研究［J］.中国管理科学，2020，28（8）：221-230.

［5］谢微，陈军.新能源科学与工程特色班人才培养探索与实践［J］.化学教育（中英文），2021，42（18）：53-57.

［6］李玉刚，赵志峰，任年鑫.浮式海上风电机组试验模型相似准则与风荷载模拟装置［J］.实验室研究与探索，2016，35（2）：4-7.

［7］裴晓东，王亮，陈树亮，等.基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统设计［J］.实验室科学，2021，24（5）：35-39.

［8］杨景发，南梦婷，张玮，等.太阳能光电储综合应用实验装置设计［J］.实验室科学与技术，2021，19（4）：44-50.

［9］杨阳，毛无卫，王琼.基于科研思维启发的土力学实验教学改革研究［J］.实验室科学，2021，24（5）：147-149.

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）