風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新教育

文 | 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 祝磊，韓淼

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風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新教育

文 | 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 祝磊，韓淼

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展迅猛，北京建筑大學(xué)結(jié)合自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)電技術(shù)研發(fā)、清潔能源利用等領(lǐng)域開(kāi)展了多項(xiàng)工作。經(jīng)過(guò)近五年的實(shí)踐，北京建筑大學(xué)在風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面實(shí)行的一系列創(chuàng)新教育，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，取得了可喜的成績(jī)，主要包括以下三個(gè)方面：

一、鋼塔筒抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電屬于新生事物，傳統(tǒng)土木工程專(zhuān)業(yè)沒(méi)有風(fēng)電機(jī)組塔架的設(shè)計(jì)課程。但土木工程專(zhuān)業(yè)課程中含“特種結(jié)構(gòu)”選修課，其中包括高聳結(jié)構(gòu)、塔桅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其基本原理也適用于風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒。考慮風(fēng)電機(jī)組頂部的葉片影響，鋼塔筒設(shè)計(jì)也具有其獨(dú)特之處，因此在教學(xué)中注意引導(dǎo)學(xué)生理解鋼塔筒設(shè)計(jì)與其他高聳結(jié)構(gòu)如電視塔、煙囪的不同特點(diǎn)，并指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展深入研究。

為增加學(xué)生對(duì)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際認(rèn)識(shí)，2012年9月帶領(lǐng)學(xué)生去參觀蘭州電機(jī)廠和酒泉風(fēng)電場(chǎng)。此外，教學(xué)活動(dòng)中也注意開(kāi)展國(guó)際交流，2012年9月邀請(qǐng)日本東京大學(xué)石原孟教授來(lái)我校做日本風(fēng)電發(fā)展的學(xué)術(shù)報(bào)告，并與石原孟教授不定期交流風(fēng)電的新進(jìn)展。2010級(jí)碩士研究生季亮研究鋼塔筒的結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題，畢業(yè)論文《鋼管塔架式水平軸風(fēng)電機(jī)組抗震研究》獲得2013年度中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專(zhuān)業(yè)委員會(huì)和舍弗勒集團(tuán)共同設(shè)立的“綠色風(fēng)能——研究生優(yōu)秀學(xué)位論文”鼓勵(lì)獎(jiǎng)。為擴(kuò)展學(xué)生視野，2014年4月，安排學(xué)生參加了在上海舉辦的世界風(fēng)能大會(huì)（WWEC2014），并作學(xué)術(shù)報(bào)告。

二、塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽

為增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，促進(jìn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，北京市教育委員會(huì)每年主辦“北京市大學(xué)生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”，每年均由北京建筑大學(xué)承辦，參加者來(lái)自北京、天津、河北、山東、遼寧的20所大學(xué)。

2015年5月舉行的第四屆競(jìng)賽A組題目為設(shè)計(jì)并制作一個(gè)縮小版的風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)，使用竹材和502膠水手工粘接完成模型，要求模型承受一定風(fēng)荷載并不發(fā)生損壞，以重量輕者為優(yōu)勝。本次比賽旨在鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)并制作新型塔架結(jié)構(gòu)，而學(xué)生也表現(xiàn)了濃厚的興趣，本校參加隊(duì)伍達(dá)到十多組，每組成員3至6人，一、二、三年級(jí)的學(xué)生均有參加。學(xué)生展示了較強(qiáng)的創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)了多種方案并親手制作完成。

通過(guò)本次比賽，學(xué)生鞏固了風(fēng)電機(jī)組塔架抗風(fēng)的理論知識(shí)，鍛煉了實(shí)踐能力。

三、新型塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在常用鋼塔筒的基礎(chǔ)上，北京建筑大學(xué)也積極開(kāi)展新型塔架結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新教育工作。前述塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是面向本科生的創(chuàng)新實(shí)踐，碩士研究生則從理論上研究新型塔架結(jié)構(gòu)的可行性。由于風(fēng)電機(jī)組功率越來(lái)越大，葉片越來(lái)越長(zhǎng)，塔架高度也逐漸增加，鋼塔筒面臨直徑太大，超出運(yùn)輸限高的問(wèn)題，因此有必要設(shè)計(jì)新型的塔架結(jié)構(gòu)。

幾年來(lái)，研究生探討了混凝土塔筒和鋼格構(gòu)式塔架的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為這些新型塔架的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。研究生李書(shū)文分析了混凝土塔筒的抗震、抗風(fēng)性能，并計(jì)算了不同直徑、壁厚塔筒的造價(jià)，研究成果發(fā)表在《太陽(yáng)能學(xué)報(bào)》、《風(fēng)能》等期刊，并獲得2014年度碩士研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金及2015年北京市優(yōu)秀畢業(yè)生稱(chēng)號(hào)。此外，祝磊、許楠、高穎共同翻譯了日本土木學(xué)會(huì)《風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南及解說(shuō)》，為風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)提供了有益的參考書(shū)。

國(guó)內(nèi)風(fēng)電專(zhuān)業(yè)課程多講授葉片的空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械設(shè)備、電氣控制、氣象等知識(shí)，較少涉及塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。北京建筑大學(xué)開(kāi)展的塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教育基于土建類(lèi)學(xué)校的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，在風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這個(gè)領(lǐng)域做了初步的探索，重在激發(fā)學(xué)生的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新意識(shí)，并強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)以致用、鍛煉動(dòng)手能力，具有一定的開(kāi)創(chuàng)性。