登Nature子刊！西華科研團(tuán)隊(duì)提出地下隧道輸電新方案，破解高原綠電“送出難”！

近日，電氣與電子信息學(xué)院青年教師范昊洋博士在國際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上發(fā)表題為“Bulk electrical power extraction through tunnel transmission technology from renewable energy concentrated zones”的研究論文，為山地高原地區(qū)可再生能源外送難題提供了經(jīng)濟(jì)高效的大容量輸電解決方案。研究不僅為雅魯藏布江下游水電工程等國家重大戰(zhàn)略項(xiàng)目提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，也為全球山地可再生能源外送指明了新的技術(shù)路徑。該論文以范昊洋老師為第一作者、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所黃琦教授為通訊作者，西華大學(xué)為第一單位，標(biāo)志著我校在新型電力傳輸技術(shù)與可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域取得重要突破。

論文截圖

破解高原綠電“送出難”：

從架空線路到地下隧道的范式探索

我國西南地區(qū)，尤其是青藏高原及四川高原山區(qū)，蘊(yùn)藏著全球最為豐富的水能、太陽能和風(fēng)能資源。雅魯藏布江、金沙江等流域的國家重特大水電工程正加速推進(jìn)，然而，這些清潔能源要“翻山越嶺”送往千家萬戶，卻長(zhǎng)期受困于一個(gè)現(xiàn)實(shí)難題：傳統(tǒng)架空輸電線路受制于生態(tài)紅線、走廊資源稀缺、極端天氣干擾和地緣安全風(fēng)險(xiǎn)。這些挑戰(zhàn)嚴(yán)重制約了可再生能源的高效并網(wǎng)。

在此背景下，大容量地下深埋電力隧道被視為極具潛力的替代方案，但相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)性驗(yàn)證與優(yōu)化設(shè)計(jì)仍存在空白。針對(duì)上述瓶頸，范昊洋及所在團(tuán)隊(duì)跳出“以架空補(bǔ)架空”的傳統(tǒng)思路，將目光投向山體深處——提出利用長(zhǎng)距離地下深埋隧道替代架空線路，實(shí)現(xiàn)大容量電力隱蔽、安全、生態(tài)友好地送出。

高海拔地區(qū)建設(shè)大容量地下輸電隧道研究示意圖

研究結(jié)果表明，在山地可再生能源富集區(qū)域，基于地下隧道的輸電系統(tǒng)（尤其是氣體絕緣線路GIL）具有顯著綜合優(yōu)勢(shì)：不僅能有效規(guī)避架空線路面臨的外部風(fēng)險(xiǎn)，在生態(tài)保護(hù)、景觀維護(hù)及基礎(chǔ)設(shè)施兼容性等方面表現(xiàn)突出，更能在外部成本顯著時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性能。這一成果為推動(dòng)可持續(xù)可再生能源并網(wǎng)、助力凈零排放目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了重要支撐。

從量化判據(jù)到設(shè)計(jì)優(yōu)化：

為工程應(yīng)用提供科學(xué)“標(biāo)尺”

本研究的核心創(chuàng)新之一，在于首次建立了一套大容量地下輸電隧道的“多物理場(chǎng)+全生命周期成本”一體化分析框架。范昊洋解釋道：“就像裝修房子，以前要找不同的施工隊(duì)分別負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)安全、采暖保溫、水電造價(jià)，我們的研究相當(dāng)于提供了一個(gè)‘一體化設(shè)計(jì)師’，幫你把所有因素統(tǒng)一考慮、找到最優(yōu)方案。”

山區(qū)高原場(chǎng)景下架空輸電線路與地下隧道輸電的建設(shè)成本對(duì)比

具體而言，研究團(tuán)隊(duì)通過有限元分析，實(shí)現(xiàn)了電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、流體力學(xué)與經(jīng)濟(jì)成本的深度耦合。通過優(yōu)化隧道內(nèi)導(dǎo)體的空間布置方式，交流電纜的最大載流量提升了57%；通過優(yōu)化隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)，氣體絕緣線路（GIL）的單位輸電成本可降低約20%，達(dá)到全球同類方案中的最優(yōu)水平之一。

更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)首次提出了全球適用的臨界判據(jù)：當(dāng)線路沿線的生態(tài)與景觀外部成本超過每公里每年約55萬美元時(shí)，氣體絕緣線路的全生命周期成本將低于架空線路——這意味著地下輸電在綜合經(jīng)濟(jì)性上“更值得”。這一量化標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)了此前國際上的空白，為政策制定者和工程設(shè)計(jì)方提供了科學(xué)決策工具。

隧道通風(fēng)對(duì)輸電容量及單位輸電任務(wù)成本的影響

“這一分析框架具有高度可擴(kuò)展性，能夠?yàn)椴煌淼拉h(huán)境與輸電技術(shù)提供定制化設(shè)計(jì)指導(dǎo)。”范昊洋表示。研究團(tuán)隊(duì)已將其方法論延伸至全球其他山地（阿爾卑斯山、阿巴拉契亞山、安第斯山等）場(chǎng)景，未來還將繼續(xù)擴(kuò)展至城市地下輸電等場(chǎng)景，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

服務(wù)大國工程與地方發(fā)展：

從雅魯藏布江到四川清潔能源基地

這項(xiàng)研究成果最直接的應(yīng)用指向，是被稱為“全球最大水電工程”的雅魯藏布江下游水電工程。該工程規(guī)劃總裝機(jī)容量約6000萬千瓦，相當(dāng)于3個(gè)三峽工程，如何將如此巨量的電力安全、高效地送出高原，是工程成敗的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。研究提出的地下隧道輸電框架，為該工程的外送通道方案提供了科學(xué)依據(jù)和核心技術(shù)儲(chǔ)備。范昊洋類比道：“如果說雅魯藏布江的水電站是西南地區(qū)的‘心臟’，那么輸電線路就是‘大動(dòng)脈’。把這條大動(dòng)脈從風(fēng)吹日曬的山脊上‘移’進(jìn)山肚子里，不僅能保護(hù)這條動(dòng)脈不受傷害，還能讓它承載更多的‘血液’（電力），同時(shí)把青山綠水完好地留給子孫后代。”

與此同時(shí)，研究成果對(duì)四川省高原山區(qū)的能源開發(fā)具有更為現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。四川是全國水電第一大省，金沙江、大渡河、雅礱江“三江”流域水能蘊(yùn)藏量約占全國三分之一。近年來，涼山、甘孜、阿壩等地光伏、風(fēng)電開發(fā)迅猛。然而，受制于輸電通道緊張、生態(tài)紅線限制，大量“綠電”無法及時(shí)送出。四川省“十五五”規(guī)劃明確提出要擴(kuò)大清潔能源外送規(guī)模，本研究提供的地下隧道輸電方案可在技術(shù)上突破走廊資源瓶頸，拓寬電力外送通道，助力四川打造國家級(jí)“清潔能源基地”。

隧道環(huán)境中交流電纜、直流電纜及GIL的磁場(chǎng)空間分布

地下輸電隧道綜合電-磁-熱-流體多物理場(chǎng)耦合與經(jīng)濟(jì)成本分析框架

從戰(zhàn)略安全角度看，地下深埋隧道輸電的核心價(jià)值在于“隱蔽性”與“抗毀性”：線路深埋于山體之中，不受極端天氣影響，抗冰災(zāi)、暴雪、颶風(fēng)等能力遠(yuǎn)超架空方案；同時(shí)，深埋隧道具有更好的戰(zhàn)略縱深保護(hù)特性，在特殊情況下能有效保障電力供應(yīng)安全。從生態(tài)保護(hù)角度看，地下隧道幾乎不破壞地面生態(tài)——僅兩端及通風(fēng)豎井需要開挖，而架空線路則需開辟連綿數(shù)百公里的走廊通道。

范昊洋表示，下一步還將開展地質(zhì)適應(yīng)性驗(yàn)證、更高電壓等級(jí)延伸研究、氣候變化影響評(píng)估、先導(dǎo)示范工程建設(shè)等工作，以推動(dòng)研究成果更快落地。

從“單兵作戰(zhàn)”到“團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)”：

有組織科研的生動(dòng)實(shí)踐

這項(xiàng)研究的背后，是一支多單位協(xié)同、多學(xué)科交叉的有組織科研團(tuán)隊(duì)。論文作者來自西華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、電子科技大學(xué)、成都理工大學(xué)、國網(wǎng)四川省電力公司、美國伊利諾伊理工大學(xué)等單位，涵蓋電氣工程、熱力學(xué)、流體力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、能源經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)環(huán)境評(píng)估等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。

范昊洋介紹，研究團(tuán)隊(duì)并非簡(jiǎn)單的“拼盤式”合作，而是在每個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了深度融合。例如，在建模階段，需要電氣工程知識(shí)準(zhǔn)確描述導(dǎo)線特性，熱力學(xué)知識(shí)建立熱傳導(dǎo)方程，流體力學(xué)知識(shí)模擬隧道內(nèi)空氣流動(dòng)——三者缺一不可。而在成本分析階段，團(tuán)隊(duì)將生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“外部性成本”與工程仿真結(jié)果打通，用“單位輸電成本”這一統(tǒng)一指標(biāo)，讓工程師和政策制定者能夠直觀比較架空與地下方案的經(jīng)濟(jì)性。

范昊洋（左三）考察駟馬橋水電站

這種跨單位、跨學(xué)科的協(xié)同攻關(guān)模式，正是西華大學(xué)近年來積極推動(dòng)“有組織科研”的典型縮影。學(xué)校圍繞國家能源戰(zhàn)略需求，持續(xù)在新能源并網(wǎng)、智能輸電、復(fù)雜環(huán)境電力系統(tǒng)等方向布局，鼓勵(lì)青年教師組建參與交叉團(tuán)隊(duì)，承接服務(wù)地方發(fā)展與國家戰(zhàn)略需求的重要課題。范昊洋團(tuán)隊(duì)的研究正是依托國家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目開展，合作單位包括國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院等，體現(xiàn)了“高校+企業(yè)+行業(yè)”協(xié)同創(chuàng)新的組織優(yōu)勢(shì)。

電氣與電子信息學(xué)院院長(zhǎng)雷霞表示：“學(xué)院近年來聚焦西南地區(qū)能源外送‘卡脖子’問題，支持青年教師圍繞重大工程需求開展前沿探索。這項(xiàng)成果的發(fā)布，正是學(xué)院長(zhǎng)期深耕電力行業(yè)、服務(wù)地方發(fā)展的標(biāo)志性產(chǎn)出。”

從高原田野到國際頂刊：

一位青年黨員的科研求索與育人初心

論文成果的背后，是一段跨越學(xué)術(shù)與基層、科研與黨建的獨(dú)特成長(zhǎng)軌跡。

自2022年起，范昊洋牽頭組建“博士黨員實(shí)踐隊(duì)”，六年內(nèi)帶隊(duì)往返云南云縣、四川甘孜、阿壩等高海拔地區(qū)20余次，深入山區(qū)、林區(qū)一線電站考察調(diào)研。范昊洋回憶道：“有一次在甘孜，風(fēng)雪交加，車陷在泥里，是當(dāng)?shù)夭孛駧臀覀兺瞥鰜淼摹Ｕ沁@些在風(fēng)雪與泥濘中獲得的‘腳底板下的學(xué)問’，讓我對(duì)高原輸電的痛點(diǎn)有了遠(yuǎn)超紙面研究的切身理解。”2023年，他根據(jù)基層經(jīng)歷創(chuàng)作的微黨課《無故事村的故事》入選教育部示范性微黨課，登上新華網(wǎng)、央視網(wǎng)、共產(chǎn)黨員網(wǎng)等十個(gè)國家級(jí)媒體平臺(tái)，全網(wǎng)播放量超218萬次。2024年，他榮獲“四川省高校優(yōu)秀共產(chǎn)黨員”稱號(hào)。

范昊洋博士

入職西華不足一年，范昊洋便迅速將科研熱情轉(zhuǎn)化為育人實(shí)踐。他與學(xué)院王濤副院長(zhǎng)共同創(chuàng)建“電氣club”——一個(gè)專為電氣工程方向?qū)W生打造的“學(xué)科競(jìng)賽+學(xué)術(shù)研究”貫通式培養(yǎng)平臺(tái)。在club中，他指導(dǎo)本科生衡星霖在約六個(gè)月內(nèi)完成一篇研究論文初稿，已投遞中科院二區(qū)期刊并進(jìn)入審稿流程。對(duì)于本科生而言，這是極為難得的學(xué)術(shù)成果。與此同時(shí)，club還覆蓋中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽、“挑戰(zhàn)杯”、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等頂級(jí)賽事進(jìn)行系統(tǒng)化培養(yǎng)，范昊洋本人曾以參賽者身份獲中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽全國金獎(jiǎng)等十余項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)，如今他將這些經(jīng)驗(yàn)毫無保留地傳遞給更年輕的學(xué)子。

范昊洋（右一）給電氣club成員開組會(huì)指導(dǎo)學(xué)術(shù)研究

這份從崇山峻嶺走向國際頂刊的研究成果，既是西華大學(xué)電氣學(xué)科多年深耕能源電力領(lǐng)域的厚積薄發(fā)，也是一位青年科研工作者將論文寫在祖國大地上的生動(dòng)實(shí)踐，它生動(dòng)詮釋了學(xué)校在引才育才、多學(xué)科交叉融合與服務(wù)國家戰(zhàn)略需求上的戰(zhàn)略定力與實(shí)干精神。面向未來，學(xué)校將繼續(xù)聚焦新型電力系統(tǒng)與能源綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)難題，以更多“從0到1”的原創(chuàng)性成果，為大國工程注入西華智慧，為中國能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)堅(jiān)實(shí)力量。

整理 | 王舒

編輯 | 劉婷

編審 | 范佳 雷為堯

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