翟恩地：直面漂浮式风机设计痛点，把脉未来技术突破方向

金秋送爽，丹桂飘香。2024年9月21日，第四届中国深远海漂浮式海上风电大会在江苏盐城举办，三百多位专家学者、企业代表、行业同仁齐聚一堂，开启一场关于深远海海上风电技术创新的智慧盛会。中国海洋工程咨询协会海上风电分会翟恩地主持大会，并作圆桌论坛引导发言，与在场嘉宾探讨深远海海上风电发展与挑战。作为风电知名专家，翟恩地博士在圆桌论坛引导发言中，揭示了漂浮式风机设计中的十大痛点，并通过深入剖析，为未来漂浮式海上风电的创新和研究指明了方向。

以下为翟恩地博士主持和引导发言摘录，部分内容做了重新编排。

01风起于青萍之末，而舞于松柏之下

深远海海上风电的发展，恰似这股自然之力，虽始于细微，却蕴含着改变世界能源格局的磅礴力量。深远海区域拥有丰富的风能资源，我国深远海海上风电资源潜力巨大。世界银行测算，全球海上风电技术开发潜力超过710亿千瓦，其中70%为深远海海域；国家气候中心评估得到我国海上100米高度、离岸200千米范围内，风能资源技术可开发量约22.5亿千瓦。深远海海上风电的发展，既可显著提升风电开发规模、降低沿海地区用能成本，又为推动能源转型、实现“双碳”目标达成提供支撑，意义重大。

但深远海海上风电的发展道路不是一马平川，挑战犹如大海中的隐秘暗流，复杂而多变。海洋的极端环境对风电机组设计、建造与运维提出了极高的要求，在面对极端海洋环境考验时，如何打造卓越的技术实力提升风机适应性，如何在保障安全稳定的前提下提高发电效率、降低维护成本，均是摆在风电行业面前的难题。

漂浮式风电方案是深远海海上风电发展的必然选择。可以说，漂浮式风电的技术发展，决定了深远海海上风电的发展速度。但几乎所有从事风电技术创新的科学家和工程师都对漂浮式风电技术十分敬畏，因为它是集空气动力学、结构动力学、水动力学、岩土动力学、复合材料、机电耦合系统、系统控制理论和新型电力系统等多学科、多专业于一身的复杂系统，是风电技术的制高点。因此，亟需识别关键技术痛点，迎难而上，为技术攻关理清头绪。

翟恩地博士主持大会

02提纲而众目张，振领而群毛理

翟恩地博士以“整机设计、环境输入、机组系统、结构响应、测试验证”的风机设计要素为主线，揭示并剖析漂浮式风机设计的十大痛点。笔墨不多，却提纲挈领、高度凝练、洞悉深刻。十大痛点既是技术瓶颈，更是推动漂浮式风电技术发展的关键研究领域。

痛点一为“一体化仿真与设计工具链仍不完善”，体现在：主流商业软件开展浮式基础的结构响应、局部强度分析时，尚未具有高效、全耦合、一体化设计方法；不同学科团队采用不同仿真工具，多工具接口复杂、数据传递不畅：工具各有优劣，工具应用时缺乏行业共识的高精度、高效的实践作法。

痛点二为“长柔叶片的气动弹性问题尤为突出”，体现在：漂浮式风机六自由度平台的低频运动造成叶片-叶轮系统的非定常效应，叶片内侧存在失速风险；传统叶素动量理论（BEM）在应对漂浮式风机被动偏航、对风不准确等工况时，存在推力修正误差，局限性凸显；漂浮式机组采取各类抗台手段时，尾缘均处于特殊的入流状态，难以快速精准进行评估。

痛点三为“耦合动力学仿真中的水动力挑战”，即：随着漂浮式风机的大型化，现有仿真方法难以应对浮体刚度和模态变化带来的影响。体现在：极端生存工况下，水动力载荷的粘性以及非线性成分增加，势流理论的基本假设条件不再适用；同时，随着机组大型化、浮体尺度增加，浮体的刚体假设不再适用，需考虑浮体刚度和模态对整机模态及水动力载荷的影响。

痛点四为“浮式基础强度设计尚未实现一体化”，体现在：浮式基础的强度设计仍然依赖于风载和浪载的分步叠加，这种方法导致了设计冗余和不确定性；目前成熟的浮体方案成本较高，难以实现商业化部署；诸多新概念、新型浮体低成本大规模量产路径不清晰，业界尚未达成共识；此外，还需考虑如何同时实现浮体轻量化和结构强度，以及如何在前端设计、后端制造、组装效率间取得平衡。

痛点五为“系泊系统的降本路径不明确”，体现在：系泊系统设计的多样化使得降本变得更加复杂，业内仍缺乏针对漂浮式风机水深和环境条件的低成本解决方案；系泊系统失效概率相对较高，新型系泊组件、系泊材料等尚未经过充分验证的降载与低成本解决方案，推广应用难度大、风险高。

痛点六为“动态缆设计复杂且面临巨大压力”，即：漂浮式风机动态海缆传输功率高、偏移量大、动态载荷大，在高载流和高电压下面临巨大压力，又遭受海生物附着影响，致使结构、电气和水中构型设计极具挑战。体现在：高载流、高电压、大尺寸带来高疲劳荷载，大幅运动急剧增大附件设计难度，海生物附着严重制约电缆构型。

痛点七为“叶轮、传动链与塔架的耦合振动难以规避”，体现在：当前的漂浮式风机设计仍基于固定式风机方案，只是结合浮体特性与风场环境进行适应性改进，叶片、传动链、塔架振动频率、叶轮转速频率避开共振的设计更加困难；受浮体运动影响，塔架的承载要求大幅提高，刚性-刚性设计导致塔架用钢成本显著增加；针对不同于当前风机架构的漂浮式风机，性能和成本优势也尚未得到明确论证。

痛点八为“闭环控制的稳定性难题”，体现在：漂浮式风机浮体纵摇与叶片变桨耦合失稳问题；叶片变桨带来的负阻尼效应，引发漂浮式风机的控制系统的失稳问题。

痛点九为“水池缩尺试验的局限性”，体现在：水池缩尺试验是漂浮式风机的重要验证手段，但由于气动雷诺数、水动弗劳德数相似性不兼容，存在一定的模拟局限性；水池试验中的风浪相互作用与缩放问题；复合材料系泊缆的刚度与弹性问题。

痛点十为“远程监测和机组可靠性验证不足”，体现在：随着风机逐步部署在深远海区域，可达性差、非计划运维多，且远程监测技术的难度不断增加；大型化海上风电机组正经历着快速迭代发展的阶段，但许多新设计、新工艺还没有得到长时间充分验证，机组可靠性验证不充分。

翟恩地博士做题为《漂浮式海上风机设计痛点问题分析》的引导性发言

03知易行难，行之惟艰

漂浮式风机的技术痛点、瓶颈、难题客观存在，但挑战和机遇并存。翟恩地博士相信，通过汇聚行业智慧与力量，定能找到解决方案，推动漂浮式风电技术实现商业化发展。针对漂浮式风机设计的十大痛点，翟恩地博士也给出了可供参考的解决思路，为未来技术突破提供方向指引。

针对痛点一“一体化仿真与设计工具链仍不完善”痛点，提出：未来的研究应着眼于开发更加高效、全耦合的一体化设计工具；加强不同仿真工具之间的接口标准化，促进跨学科团队间的协同工作，提升数据流的畅通性；应根据具体应用场景，合理选择和搭配不同精度的仿真工具。

针对痛点二“长柔叶片的气动弹性问题尤为突出”，提出：未来的研究方向应着重于改进气动设计理论，特别是提升叶轮在复杂工况下的响应能力；同时，优化传统的叶素动量理论，针对高诱导因子和漂浮式风机的特殊对风工况，开发更加精确的统一动量理论仿真工具和评估方法。

针对痛点三“耦合动力学仿真中的水动力挑战”，提出：未来的研究方向应包括更高阶的计算流体动力学（CFD）仿真工具开发，尤其是在极端海况下，应准确评估风机动态响应和水动力载荷；同时，通过实验和数值模拟结合的方式，进一步优化浮体设计，以减少其对整机模态的影响。

针对痛点四“浮式基础强度设计尚未实现一体化”，提出：未来的研究应加速开发全耦合的强度分析方法，实现风、浪、流多重载荷的一体化计算；同时，推动新材料和模块化制造技术的研究，降低浮体的生产和安装成本；在保证结构强度的前提下，寻求轻量化和成本控制的平衡，推动浮式基础的大规模商业化应用。

针对痛点五“系泊系统的降本路径不明确”，提出：未来的研究应聚焦于开发更低成本、更高可靠性的系泊材料和系统设计，特别是针对不同水深和环境条件下的优化方案；开展针对系泊系统失效概率的深入分析，并通过实验和数值模拟，验证新型系泊材料的耐久性与强度，从而为低成本、长寿命的系泊方案设计提供依据。

针对痛点六“动态缆设计复杂且面临巨大压力”，提出：未来应加强对动态缆疲劳载荷的研究，开发更加耐用的附件设计和防护技术，以应对海洋环境的严苛挑战；针对海生物附着问题，行业应加快研发防污材料、优化电缆结构，以提高动态缆的长期可靠性。

针对痛点七“叶轮、传动链与塔架的耦合振动难以规避”，提出：未来行业应加大对浮体特性与风机系统耦合振动的研究力度，通过更精准的动力分析和结构优化设计，来减少振动影响；此外，还需针对新型风机架构，如多叶轮、两叶片、下风向风机等，开展更多实验，以验证其潜在优势和应用可行性。

针对痛点八“闭环控制的稳定性难题”，提出：未来的研究应聚焦开发更先进的闭环控制算法，增强平台的稳定性；通过引入新的传感器技术，实时监测风机的动态响应，并结合前馈控制算法和高级降载技术，以更有效地抑制平台运动响应，提高风机的运行效率。

针对痛点九“水池缩尺试验的局限性”，提出：未来的研究应结合计算流体动力学（CFD）和势流理论，开发更为精确的混合模型试验方法，以提高气动和水动力载荷的模拟精度；同时，行业应投入更多资源，建设先进的多自由度造波池，能够生成复杂风浪环境，为风机控制和动态响应测试提供更逼真的实验场景。

针对痛点十“远程监测和机组可靠性验证不足”，提出：未来的研究应加强智能监测系统开发，利用大数据和人工智能技术，实现风机的故障预测和诊断；同时，行业还需加快机组可靠性验证工作，特别是在极端海况下，通过长期运行数据积累，建立可靠的性能评估体系，确保风机的长期稳定运行。

翟恩地博士主持圆桌大会

04立志欲坚不欲锐，成功在久不在速

翟恩地博士在收尾发言中表示，有信心见证风电行业通过加大对仿真工具、材料技术、控制算法、系统集成的研究投入，逐步克服技术挑战、降低成本，实现漂浮式风电的商业化。同时呼吁风电行业必须加强技术创新和合作，不断创新思维，探索新的创新平台和合作模式，吸引更多科学家、工程师团队和企业共同攻坚克难，推动漂浮式风机从技术探索走向商业化、规模化，推动深远海风电向更安全、更高效、更可持续发展。