向风发电挺进深远海——记上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院特聘教授高震

王 芳 刘玉杰

翻开地图，从渤海湾出发，沿东部海岸线一路曲折向南直到北部湾，20余家主要海上风电装备产业园与基地如藤上果实，错落有致分布其间。截至2022年年底，我国海上风电累计装机容量达3051万千瓦，持续领跑全球。2023年5月，在海上固定风机占据主体地位之际，我国第三台已建漂浮式风机样机、首座深远海漂浮式风电平台“海油观澜号”成功并入文昌油田群电网，标志着我国深远海风电关键技术取得重大进展。

十余年面朝大海，我国海上风电自潮间带、浅海起步，如今正朝深远海稳步挺进。在全球减排与积极利用可再生能源的背景下，海上风电已迎来大规模发展浪潮，漂浮式风机正处于商业化发展的前期。作为新时期能源发展的主攻方向，包括海上风电在内的绿色可再生能源的发展已上升至国家战略层面。抓住机遇，攻克海上风机尤其是漂浮式风机技术瓶颈和产业化难题，事关国计民生，吸引着诸多科研人才加入进来，不断深化基础研究和推动新型技术应用。

上海交通大学（以下简称“上海交大”）特聘教授、教育部长江讲席学者、挪威技术科学院院士高震，正是在祖国的召唤下，于2022年年底从挪威归来，投身我国海上风电的大规模、高质量建设。自主研发超大型海上风机，推出成本更低的新型海上安装和运维方案并迅速推广海上风电。将海风的充足动能转换为电能，源源不断输送给万千用户，便是海上风机专家高震的初心所在。

2014年高震（第三排右一）与大家共聚一堂庆祝托盖尔·蒙恩（Torgeir Moan，第一排左六）和奥德·马格努斯·福尔廷森（Odd Magnus Faltinsen，第一排左七）两位教授七十大寿

向海科研，从船舶转向海上风机

1977年，高震出生于浙江省平湖市。高中毕业，怀着对蔚蓝大海的向往，他报考了上海交大船舶与海洋工程专业。在本科学习期间，他成绩常年第一，2000年毕业之际获上海市优秀毕业生荣誉。上海交大的顾永宁教授是高震科研路上的早期引路人。“我的本科毕业设计就是跟着顾教授做的，由此开启了船舶与海洋平台载荷计算与结构设计方面的研究。之后，我又跟随顾教授攻读硕士学位，致力于船舶碰撞数值模拟与浮式生产储油船船侧结构防撞研究。”顾永宁教授曾在20世纪80年代访问挪威，在拥有百年历史的挪威船级社交流一年，正是在他的推荐下，高震于2003年前往挪威科技大学读博。

高震的博士生导师是中国工程院外籍院士、海洋工程专家托盖尔·蒙恩（Torgeir Moan）教授。蒙恩教授是挪威科技大学船舶与海洋结构物研究中心（CeSOS）的主任。“研究中心会聚了8～10名来自水动力学、结构力学与动力学、海洋结构物控制理论等不同研究方向的教授，大家优势互补合作研究。”挪威的海洋工程研究既强调基础科研工作，又重视工程应用与实践。高校、科研院所与工程公司、油气公司等合作紧密，形成浓厚的工程应用氛围，高震在读博期间深受熏陶。2008年毕业时，他获得了挪威科技大学应用研究领域埃克森美孚最佳博士论文奖。

积极响应市场的需求，敏锐感知趋势的变化，是优秀工程应用研究专家的必备素养。2008年毕业后，高震继续在船舶与海洋结构物研究中心从事博士后研究。此时，正值欧洲海上风电商业化开发前期。“我的博士生导师看到了其中的前景，在他的带领下，依托研究中心，我开展了一系列海上风电研究，其中主要以漂浮式风机耦合分析为主。”2011年夏天，在欧洲海上风电进入大功率时代的浪潮中，高震也凭借优异表现，博士后出站，正式加入挪威科技大学海洋工程系。此后，他历任研究员、兼职副教授、教授。同时，他也在2017年至2021年担任负责科研的副系主任，后因回国发展而卸任。

2008年高震（左一）博士答辩后与导师托盖尔·蒙恩教授（右一）、夫人金晶哲（右二）和答辩委员会在一起

贡献突出，荣膺挪威技术科学院院士

利用海上风机发电，根据不同水深，有不同的基础结构类型与设计。大致以水深50～60米为界，小于此数值，使用固定式基础结构更为经济；大于此数值，需要使用漂浮式基础结构。不同额定功率的风机，即使基础结构类型一样，其尺寸大小也要根据不同海域风浪流条件设计。

随着海上风电不断向大规模与深远海发展，高震的主要研究也倾向于漂浮式风机。漂浮式风机主要由风机机组、塔架、浮体基础结构和系泊系统组成。合理设计整个漂浮式风机系统，使之发电效率更高，在恶劣海况下更安全，是他的工作内容。在加入挪威科技大学的10年中，跟随国际前沿需求，高震主持了多个挪威科研理事会资助的科研项目，并参与了一系列由欧盟和挪威科研理事会资助的科研中心及项目工作，与美国国家可再生能源中心、荷兰代尔夫特大学、丹麦科技大学、挪威国家石油公司，以及海上风电相关工程公司等合作密切。他参与并推动了挪威科技大学海洋工程系从海上油气平台研究向海上风机研究的转变，为相关能源及工程公司发展漂浮式风机提供了技术支撑。

海上风机（特别是漂浮式风机）在风浪联合激励下载荷与响应体现出很强的非线性与耦合作用。为解决现有设计与计算方法的不完善性，高震与其导师及合作者共同提出了基于风浪随机载荷与响应耦合分析的海上风机一体化设计方法，成果应用于大型及超大型（5～15兆瓦）漂浮式风机浮体与系泊系统设计。研究成果首次解决了直接通过时域计算方法得到漂浮式风机浮体结构响应的建模问题。此外，他与合作者共同提出了海上风机单机整体数值建模方法，并推动此建模方法与数值模型在风机总体设计、机械装置局部响应计算与故障诊断中的应用。以上成果均推动了海上风机（特别是漂浮式风机）的安全设计、精确计算、安全运营和成本降低。

在海上施工作业数值模拟及应用方面，针对海上风机安装作业以人工操作为主、安装效率与安全性差的现实状况，高震与合作者首次共同提出并建立了以直接数值模拟为基础、以系统运动与结构响应为准则的海上施工可操作性和安全施工窗口的确定方法，提出风机组件与整体海上安装作业非稳态过程的数值计算方法。为解决人工安装作业的局限性，高震与合作者还首次提出在海上风机安装过程中控制并降低叶片运动的方法，从而提高风机叶片安装效率与安全性。目前，在工业界，浮式风电安装船还未用于风机叶片安装，高震在研究自升式导管架安装平台动力特性的基础上，通过数值模拟方法，研究浮式风电安装船动力特性及用于风机叶片安装的可行性，为推动海上风电进一步向深水海域发展提供参考。此外，他首次探索机器学习方法与数字驱动模型在短期风浪预报中的应用，并量化其不确定性及对海上安装作业的影响。以上工作均促使风机海上施工作业更高效、更安全。

另外，高震大胆创新、积极交流，不仅在海上风电方面工作突出，其研究总体上还涉及海洋可再生能源、海上作业、机器学习方法及数字驱动模型在海洋工程领域的应用，结构力学、动力学与随机载荷响应分析，以及结构可靠性与风险评估，在相关方面均有亮眼的成果产出。

2020年，高震被授予挪威技术科学院院士称号

基于卓越贡献，2020年高震当选挪威技术科学院院士。同时，他还是海洋工程领域国际期刊《海洋结构物》（Marine Structures）副主编，以及多个国际学术会议组委会委员，并在2012年至2018年担任国际船舶与海洋结构大会（ISSC）近海可再生能源专家分会主席。截至回国前后，他共计发表学术论文240篇，其中期刊文章145篇，会议文章95篇，谷歌学术搜索H指数为46，总引用量达6572。年纪不大，高震在海洋工程应用领域取得如此成绩十分不易。旅居海外20余年，功成名就之际，高震不禁想起祖国东部漫长迷人的海岸线、母校“饮水思源、爱国荣校”的校训。自出国起就希望有朝一日事业有成回国效力的他感到时机已经成熟。

回国效力，推动漂浮式风机规模化发展

截至2022年，全球风机安装容量906GW，其中842GW为陆地风机，64GW为海上风机，而中国风机安装容量为365GW，陆地风机与海上风机安装容量均位居全球第一。国内在风电领域的大规模部署与强劲发展为高震的归国打了一剂强心针。

虽然风电在当今电力使用中占比有限，但因其普适性及成本下降，各国都大力推动风电，特别是海上风电的发展。其中，漂浮式风机在海上风电中的占比虽小，一旦突破技术瓶颈，成本降低，便会大规模使用。“近年来，海上风电发展的经验已表明，风机单机越大，单位兆瓦发电成本就越低。从过去的2～4MW、5～8MW，到目前主流的10～12MW，以及正在研发、测试的15～20MW，风机单机正朝着大型化方向快速发展。”因此，高震指出，我国想要使超大型风机叶片及机组从陆上产业园运至海上风电场并迅速安装，最终让风机顺利并入电网输送绿电，就必须合理设计建造和安装过程、合理布局运维，降低成本以实现商业化。

怀着为国解忧的拳拳情怀，2022年高震受母校上海交大之邀任船舶海洋与建筑工程学院特聘教授，同年申请并入选教育部长江讲席学者计划。回国至今，高震脑海里最常思考的问题便是海上风机设计与分析，以及工程应用中的成本与效率。“我现在的总体目标就是在现有海上风机基本工程设计与分析方法基础上，完善并推动复杂与精确数值计算在风机详细设计中的直接应用，以及在海上安装与运维中的实时应用，减小载荷、响应与强度计算的不确定性，提高风机设计的精度，降低风机成本。”

在上海交大，高震将继续致力海上风机研究，以漂浮式风机为主，兼顾固定式风机，建立风机多维度多系统（风电场、单机与传功装置）在风浪流随机外载荷、风机控制与机械振动联合作用下的时域响应计算方法，并推动此计算方法在风机工程设计中的直接应用，减少设计不确定性。此外，他将继续带领团队根据实时测量数据，开发基于物理力学原理与机器学习联合模型的波浪场与风场短期预报方法，用于超大型海上风机运行前馈控制，从而提高风机效率，降低风机载荷与响应；同时，还会将风浪短期预报方法与数值模型结合，进行实时与超前数值模拟，用于海上风机安装船、运维船控制与施工决策，从而提高海上施工的效率与安全性。

身在高校，高震强调必须主动跟风机设计与制造商、基础结构设计与制造商、运维公司等国内海上风电企业合作，解决企业面临的实际工程问题，推动成果尽快落地。同时，积极开展浮式光伏、波浪能和潮汐能等其他海洋可再生能源的早期研究。“以浮式结构为主的海上光伏可能会是继海上风机之后能大规模商业化发展的第二种主要海洋可再生能源。但目前，在全球，浮式光伏只能用于内湖、水库和极小海况条件的海域。”高震希望致力于推动适用于外海的新型（比如半潜式）浮式光伏的概念设计、数值模拟、实验室与海上模型试验，为浮式光伏的商业化作出贡献。

早在国外时，高震就热心于推动国内与挪威的科研交流、人才培养。他多次推荐在国外的博士毕业生回国工作，并为国内博士生和科研人员提供赴挪威交流访问的机会。如今回国，他希望继续发挥自己在国际上的影响力，在现有的基础上，直接推动上海交大与挪威科技大学在海洋工程学科建立硕士双学位、博士联合培养机制。通过自己在国际海洋工程领域的学术网络，为更多优秀的中国学者提供机会，积极吸引海外中国籍优秀学者回国工作，并不断促成海上风电与海洋可再生能源方面的国际合作。

中国海上风电的规模化与高质量发展，离不开学术界和工业界的共同推动。如何让更多人了解并接受这一新兴行业，加入进来，并开展面向整个海洋工程领域的交叉合作研究，十分值得思考。高震希望，高校能在其中发挥领头羊作用，而他也会一如既往地贡献力量。