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全球風(fēng)電裝機近20萬(wàn)兆瓦，足夠支持3500萬(wàn)美國普通家庭的用電。在德國，風(fēng)電占總發(fā)電量的十分之一。但是風(fēng)電的價(jià)格通常高于熱電廠(chǎng)生產(chǎn)的電。西門(mén)子的工程師們正在開(kāi)發(fā)能夠極大改變這種狀況的技術(shù)。

在新西蘭首都惠靈頓以西15公里的地方，West Wind Farm的62臺風(fēng)力渦輪機不知疲倦地日夜運轉著(zhù)。這些渦輪機有其特別之處。首先它們是從2萬(wàn)公里之遙的丹麥布蘭德（Brande）繞過(guò)大半個(gè)地球運抵這里的。這62臺渦輪機，每一臺的裝機產(chǎn)能為2.3兆瓦，總裝機產(chǎn)能達140兆瓦，足夠支持7萬(wàn)戶(hù)家庭的用電需求。此外，West Wind Farm的電價(jià)與熱電的電價(jià)并無(wú)差別。

這種電價(jià)優(yōu)勢的原因之一是惠靈頓地區強勁、穩定的風(fēng)力；還有一個(gè)原因是這里的風(fēng)力渦輪機均為西門(mén)子出產(chǎn)的高科技設備，其研發(fā)需要大量的技能和工程專(zhuān)業(yè)知識。*大亮點(diǎn)是纖維玻璃旋翼葉片，西門(mén)子將這種葉片打造成一體式單元，免去了任何焊接。這使得它們極其堅固，因為葉片上沒(méi)有任何會(huì )引起斷裂的薄弱點(diǎn)。此外，輪轂和機艙內安裝有傳感器，時(shí)刻監測著(zhù)機組的運行參數，一旦探測到可疑偏差便發(fā)出警報音。正如所有其他西門(mén)子設施一樣，West Wind Farm的風(fēng)力渦輪機的設計使用壽命為20年，因此必須能夠承受得住億萬(wàn)次的旋轉。

風(fēng)能是當今前景的可再生資源之一。在德國，風(fēng)力渦輪機的發(fā)電量已占全國發(fā)電量的10%；在風(fēng)電的“發(fā)源地”丹麥，風(fēng)電占發(fā)電總量的近25%，而作為目前全球的風(fēng)電設施市場(chǎng)，中國成為主要客戶(hù)。當前全球風(fēng)電裝機產(chǎn)能即將達到20萬(wàn)兆瓦，這個(gè)數字正在以每三年翻一番的速度增長(cháng)。據歐洲委員會(huì )估算，截至2030年僅歐洲沿海水域的裝機產(chǎn)能就將達到13.5萬(wàn)兆瓦。這個(gè)數字十分可觀(guān)，幾乎相當于德國所有電廠(chǎng)的總裝機產(chǎn)能（17萬(wàn)兆瓦）。歐洲委員會(huì )認為，截至2050年風(fēng)電設施在歐洲所占的發(fā)電比例或將劇增十倍，由5%攀升至50%。據歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì )（EWEA）測算，到2020年，歐盟每年的風(fēng)電投資將翻倍，達到260億歐元。不過(guò)，這并不意味著(zhù)到那時(shí)風(fēng)電廠(chǎng)會(huì )隨處可見(jiàn)，因為這些投資將有大部分用于更新?lián)Q代，也就是將老舊設備換成更強大的新渦輪機。

鄉村高科技。在丹麥，有一個(gè)全球風(fēng)電中心。布蘭德是一個(gè)小鎮，坐落于北海和波羅的海之間的丘陵地帶，*眼望去仿若靜謐的田園村莊。不過(guò)，在小城邊緣矗立著(zhù)一座西門(mén)子工廠(chǎng)，這里有數千名員工，其中包括大約500名工程師，他們的工作是研發(fā)使風(fēng)力渦輪機更高效、因而價(jià)格更低廉的新解決方案。36歲的Per Egedal就是這些工程師中的一員，也是西門(mén)子“2011年度創(chuàng )新之星”的得主。Per Egedal的辛勤工作使西門(mén)子的風(fēng)力渦輪機一躍成為目前世界上高效的機組之一，而效率恰恰是競爭力的關(guān)鍵因素。究其原因，可以舉個(gè)例子，若風(fēng)力渦輪機的發(fā)電量增加1%，單位電價(jià)也就相應降低1%。然而話(huà)說(shuō)回來(lái)，我們仍然任重道遠，畢竟由于安裝和維護成本都更高，目前5到7歐分/度的陸地發(fā)電電價(jià)，到了海上發(fā)電那里就變成了15歐分。“我們需要使每度電的電價(jià)降到4到5分，才能在全球范圍內取代熱力發(fā)電。” 西門(mén)子風(fēng)電產(chǎn)品部（Siemens Wind Power）*技術(shù)官 Henrik Stiesdal表示。Stiesdal對此充滿(mǎn)信心，原因之一就是同事Per Egedal的新發(fā)明。

Egedal的創(chuàng )新之一是一個(gè)軟件程序，它用來(lái)調節渦輪機上的風(fēng)力，以使渦輪機在其20年的使用壽命中可以始終在*狀態(tài)下運轉。無(wú)論外行如何以為，實(shí)際上轉子不宜始終全速運轉，因為這樣會(huì )使其部件的磨損快于預期。正是基于這一原因，西門(mén)子才在輪轂上安裝了用于監測葉片負荷的傳感器。Egedal研發(fā)的軟件利用傳感器的測量數據來(lái)確定渦輪機在任何特定時(shí)間所承受的應力負荷，并將該值與理想的應力數據表進(jìn)行比較。根據偏差的幅度大小，軟件可能會(huì )臨時(shí)性減小渦輪機的發(fā)電量。“對于電力公司來(lái)說(shuō)，更重要的不是始終追求最大化的產(chǎn)量，甚至無(wú)視條件的惡劣，而是風(fēng)力渦輪機能夠盡可能維持更長(cháng)的工作發(fā)電壽命。”Egedal介紹道。

對旋翼葉片進(jìn)行優(yōu)化校準還能降低風(fēng)塔上的應力，這樣風(fēng)塔的鋼質(zhì)塔壁可以做得更薄，那么“所需的鋼材量將立減7%，從而降低成本”。Egedal說(shuō)。鑒于目前有些風(fēng)力渦輪機動(dòng)輒高達百米，此類(lèi)節約會(huì )是非?？捎^(guān)的。

Egedal還研發(fā)出一種監測程序，該程序通過(guò)利用傳感器測量機艙內的振動(dòng)頻率來(lái)及早洞察旋翼葉片損耗。頻率模式反映葉片狀況。當檢測到頻率模式的變化時(shí)，該軟件會(huì )發(fā)出警報音。然后技術(shù)人員可以分析是否有必要進(jìn)行維修，如果需要維修，則還要判斷為避免其他部件受損，應該先維修哪些部件。由于轉子不應停下太久，所以維修工作必須盡快執行。

西門(mén)子渦輪機由西門(mén)子的三個(gè)全球風(fēng)電控制中心進(jìn)行監測，這三個(gè)中心分別設在丹麥的布蘭德、德國的不來(lái)梅和英國的紐卡斯爾。這些控制中心還負責管理軟件安裝和更新，它們通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以將軟件和更新發(fā)送到受其監測的4000臺渦輪機。

“為了提高風(fēng)電的競爭力，還有很多循序漸進(jìn)的工作要做。”Stiesdal表示，“從制造到維護，我們的創(chuàng )新著(zhù)眼于整個(gè)價(jià)值鏈。”舉例來(lái)說(shuō)，未來(lái)在旋翼葉片成型中將用單纖維材料取代纖維玻璃氈。歐洲、美國和中國有很多公司生產(chǎn)纖維玻璃氈，但其編制工藝不僅耗時(shí)，而且成本頗高，因此單纖維材料的使用不失為一個(gè)好辦法。西門(mén)子已經(jīng)利用單纖維材料技術(shù)建造了一個(gè)45米長(cháng)的雛形。按計劃該技術(shù)將在2012年底逐步引入，2014年開(kāi)始大規模生產(chǎn)。“這一技術(shù)再加之其他醞釀中的工藝優(yōu)化措施，將使旋翼葉片的生產(chǎn)成本減半。”Stiesdal如是道。

事半功倍。無(wú)齒輪風(fēng)力渦輪機是在布蘭德出爐的另一大創(chuàng )新。傳統的風(fēng)電機組配備有一個(gè)齒輪箱和一個(gè)高速運轉的發(fā)電機，但是二者均可以由低速大扭矩同步發(fā)電機替代。替換后的無(wú)齒輪渦輪機的部件只有普通渦輪機的一半。這可以簡(jiǎn)化維修，并顯著(zhù)減小渦輪機的重量。由于改良后的機器可靠性更高，這種方案為西門(mén)子及其客戶(hù)節約了大量更換成本。以2010年推出的6兆瓦級無(wú)齒輪渦輪機為例，其重量比傳統的2.3兆瓦渦輪機小出10噸以上。海上風(fēng)力設施的安裝成本非常高昂，并且設施不在陸上，維修不便，因而這種重量縮減尤顯重要。

在布蘭德的生產(chǎn)車(chē)間與工程部辦公區之間的寬敞空地上，放著(zhù)一個(gè)B52型號的旋翼葉片。這個(gè)葉片的外表是清新的白色，身長(cháng)52米，它體型雅致，頗似一只清瘦的白鯨。“我們的旋翼葉片是世界上最大的一體式纖維玻璃結構。”Egedal語(yǔ)帶自豪地說(shuō)。這種葉片的制造工藝就好比在沙箱中烤糕點(diǎn)。首先，將纖維玻璃放入兩個(gè)模具中，再將兩個(gè)模具中的玻璃纖維折疊起來(lái)、取出、填充樹(shù)脂并加熱。經(jīng)過(guò)24小時(shí)的處理，纖維玻璃被“烤”成旋翼葉片。接下來(lái)，專(zhuān)家們會(huì )在葉片的周身粘上狀似龍鱗的微型塑料齒。微型塑料齒確保了風(fēng)以更大的強度沖擊到葉片上，這個(gè)小小的細節又使效率提升2%到3%。

上圖：正在裝配無(wú)齒輪渦輪機，完成后將進(jìn)行測試運轉。西門(mén)子已經(jīng)針對海上的惡劣環(huán)境，專(zhuān)門(mén)研發(fā)出6兆瓦級無(wú)齒輪渦輪機。

需求尤為旺盛的2.3兆瓦級發(fā)電機在制造工藝上也正在實(shí)現優(yōu)化。在為這些發(fā)電機制造機艙的大型車(chē)間中，懸掛著(zhù)一臺 LED顯示器。這臺顯示器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)鐘，它當前顯示的時(shí)間是1:44，并且在做倒計時(shí)。它提醒工人們當前的生產(chǎn)工序必須在此時(shí)間內完成。也就是說(shuō)，這里的每一道工序都像汽車(chē)工廠(chǎng)一樣有嚴格的計時(shí)。每個(gè)生產(chǎn)工序的時(shí)間為兩個(gè)小時(shí)；時(shí)間一到部件就會(huì )滾動(dòng)到下一工作臺。要將機艙外殼與其內部部件組裝好，需要經(jīng)過(guò)八個(gè)工作臺的處理，而這些組件包括齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統、計算機、測量?jì)x器和艙門(mén)。整個(gè)工藝完成后出來(lái)的產(chǎn)品是完整的機艙，它帶有一個(gè)用于安裝旋翼葉片的凸出輪轂。

新系統使整個(gè)渦輪機組的制造時(shí)間從2010年的36個(gè)小時(shí)縮短到目前的19個(gè)小時(shí)，從而節約了大量成本。西門(mén)子的成功表明這是一條正確的路線(xiàn)。布蘭德工廠(chǎng)在將近十年前約有800名員工；而現在已經(jīng)有3200名員工。過(guò)去這個(gè)工廠(chǎng)每年的渦輪機總產(chǎn)量為450兆瓦；而現在它生產(chǎn)的渦輪機總裝機產(chǎn)能約達4000兆瓦?？紤]到所有這些因素，西門(mén)子的現有空間已經(jīng)不能滿(mǎn)足其需求，因此該工廠(chǎng)正在新建一個(gè)生產(chǎn)車(chē)間，建成后將用于制造2.3兆瓦機艙。“我們這里的廠(chǎng)房擴建似乎就沒(méi)有停止過(guò)。”Egedal。

風(fēng)電產(chǎn)品部的員工們正在緊鑼密鼓地對風(fēng)力渦輪機進(jìn)行耐力等各種測試。例如，他們將旋翼葉片放在特殊的起重機上，不間斷的前后搖擺三個(gè)月，這需要大約200萬(wàn)次的振動(dòng)。西門(mén)子便是通過(guò)這種方式來(lái)模擬20年左右的運轉，從而測試材料的耐用性。

Stiesda團隊研發(fā)的另一個(gè)創(chuàng )新也在此接受了測試：被視為未來(lái)旋翼葉片的“阿拉伯彎刀”。這種葉片在受到風(fēng)力時(shí)會(huì )稍有彎曲，從而減小負荷。這種新概念稱(chēng)作“氣動(dòng)裁剪葉片”技術(shù)（ATB），其在深海上的作用尤其明顯，因為在那里每秒高達100噸的風(fēng)團沖擊著(zhù)葉片，而且風(fēng)向多變不定。塑料葉片可以根據風(fēng)力靈活調整。同時(shí)由于這種葉片材料受到的磨損較小，其使用壽命便會(huì )延長(cháng)。這種新型葉片及其改進(jìn)的穩定性使生產(chǎn)出的轉子能夠擁有更長(cháng)的使用壽命，并且可以在不增加氣動(dòng)負荷的情況下生產(chǎn)更多電能。實(shí)際上，新葉片長(cháng)53米，比以往的葉片長(cháng)出4米。“雖然葉片的總量減輕了500公斤，”Stiesdal介紹道，“它們的能源產(chǎn)量卻提高了5%。”

西門(mén)子還有其他尚在醞釀中的創(chuàng )新。軟件研發(fā)能手Egedal還研發(fā)出一個(gè)程序，它可以調節風(fēng)電廠(chǎng)中每個(gè)轉子的負荷，從而達到優(yōu)化整體性能的目的。如果風(fēng)電廠(chǎng)的轉子之間的間距太小，則轉子很可能會(huì )因為渦輪機轉子的微波而遭到很大損耗。“在這種情況下，一個(gè)有效的辦法就是，將渦輪機按順序逐個(gè)適量遞減產(chǎn)量。”Egedal介紹道。

強勁未來(lái)。更大、更輕、更強勁——風(fēng)力渦輪機還有廣闊的進(jìn)一步優(yōu)化空間。Stiesdal和他的團隊所研發(fā)的6兆瓦級渦輪機雛形目前正在丹麥進(jìn)行測試。按計劃將于2014年開(kāi)始大規模生產(chǎn)。在布蘭德的工程部辦公區旁邊，可以看到1兆瓦級的渦輪機與這臺新的巨型渦輪機相比很是瘦小。

然而6兆瓦并非終點(diǎn)。一段時(shí)間以來(lái)，Stiesdal和他的團隊已經(jīng)在努力研發(fā)眾多微小改進(jìn)，通過(guò)這些改進(jìn)將有望生產(chǎn)出擁有100米長(cháng)旋翼葉片的10兆瓦級渦輪機。產(chǎn)能越高，渦輪機的效率越高，電價(jià)也就更低。

不過(guò)裝機產(chǎn)能也并非可以無(wú)限擴大。“對于海上渦輪機來(lái)說(shuō)，10兆瓦可能就是極限了。”Stiesdal說(shuō)，“而在陸上風(fēng)電廠(chǎng)，渦輪機的裝機產(chǎn)能最高也是在4兆瓦左右。”盡管如此，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的巨型風(fēng)力渦輪機憑借其成本效益、效率、免維護運行和特長(cháng)使用壽命，仍可與熱電廠(chǎng)并駕齊驅——可不僅僅是在新西蘭。