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全球風(fēng)電裝機近20萬兆瓦，足夠支持3500萬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)電的價格通常高于熱電廠生產(chǎn)的電。西門子的工程師們正在開發(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(zhuǎn)著。這些渦輪機有其特別之處。首先它們是從2萬公里之遙的丹麥布蘭德（Brande）繞過大半個地球運抵這里的。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7萬戶家庭的用電需求。此外，West Wind Farm的電價與熱電的電價并無差別。

這種電價優(yōu)勢的原因之一是惠靈頓地區(qū)強勁、穩(wěn)定的風(fēng)力；還有一個原因是這里的風(fēng)力渦輪機均為西門子出產(chǎn)的高科技設(shè)備，其研發(fā)需要大量的技能和工程專業(yè)知識。*大亮點是纖維玻璃旋翼葉片，西門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，因為葉片上沒有任何會引起斷裂的薄弱點。此外，輪轂和機艙內(nèi)安裝有傳感器，時刻監(jiān)測著機組的運行參數(shù)，一旦探測到可疑偏差便發(fā)出警報音。正如所有其他西門子設(shè)施一樣，West Wind Farm的風(fēng)力渦輪機的設(shè)計使用壽命為20年，因此必須能夠承受得住億萬次的旋轉(zhuǎn)。

風(fēng)能是當(dāng)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(shè)施市場，中國成為主要客戶。當(dāng)前全球風(fēng)電裝機產(chǎn)能即將達到20萬兆瓦，這個數(shù)字正在以每三年翻一番的速度增長。據(jù)歐洲委員會估算，截至2030年僅歐洲沿海水域的裝機產(chǎn)能就將達到13.5萬兆瓦。這個數(shù)字十分可觀，幾乎相當(dāng)于德國所有電廠的總裝機產(chǎn)能（17萬兆瓦）。歐洲委員會認為，截至2050年風(fēng)電設(shè)施在歐洲所占的發(fā)電比例或?qū)≡鍪?，?%攀升至50%。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會（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，這并不意味著到那時風(fēng)電廠會隨處可見，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(shè)備換成更強大的新渦輪機。

鄉(xiāng)村高科技。在丹麥，有一個全球風(fēng)電中心。布蘭德是一個小鎮(zhèn)，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，在小城邊緣矗立著一座西門子工廠，這里有數(shù)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，也是西門子“2011年度創(chuàng)新之星”的得主。Per Egedal的辛勤工作使西門子的風(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，可以舉個例子，若風(fēng)力渦輪機的發(fā)電量增加1%，單位電價也就相應(yīng)降低1%。然而話說回來，我們?nèi)匀蝗沃氐肋h，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，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降到4到5分，才能在全球范圍內(nèi)取代熱力發(fā)電。” 西門子風(fēng)電產(chǎn)品部（Siemens Wind Power）*技術(shù)官 Henrik Stiesdal表示。Stiesdal對此充滿信心，原因之一就是同事Per Egedal的新發(fā)明。

Egedal的創(chuàng)新之一是一個軟件程序，它用來調(diào)節(jié)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(zhuǎn)。無論外行如何以為，實際上轉(zhuǎn)子不宜始終全速運轉(zhuǎn)，因為這樣會使其部件的磨損快于預(yù)期。正是基于這一原因，西門子才在輪轂上安裝了用于監(jiān)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(shù)據(jù)來確定渦輪機在任何特定時間所承受的應(yīng)力負荷，并將該值與理想的應(yīng)力數(shù)據(jù)表進行比較。根據(jù)偏差的幅度大小，軟件可能會臨時性減小渦輪機的發(fā)電量。“對于電力公司來說，更重要的不是始終追求最大化的產(chǎn)量，甚至無視條件的惡劣，而是風(fēng)力渦輪機能夠盡可能維持更長的工作發(fā)電壽命。”Egedal介紹道。

對旋翼葉片進行優(yōu)化校準還能降低風(fēng)塔上的應(yīng)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。鑒于目前有些風(fēng)力渦輪機動輒高達百米，此類節(jié)約會是非?？捎^的。

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

西門子渦輪機由西門子的三個全球風(fēng)電控制中心進行監(jiān)測，這三個中心分別設(shè)在丹麥的布蘭德、德國的不來梅和英國的紐卡斯?fàn)?。這些控制中心還負責(zé)管理軟件安裝和更新，它們通過互聯(lián)網(wǎng)可以將軟件和更新發(fā)送到受其監(jiān)測的4000臺渦輪機。

“為了提高風(fēng)電的競爭力，還有很多循序漸進的工作要做。”Stiesdal表示，“從制造到維護，我們的創(chuàng)新著眼于整個價值鏈。”舉例來說，未來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，而且成本頗高，因此單纖維材料的使用不失為一個好辦法。西門子已經(jīng)利用單纖維材料技術(shù)建造了一個45米長的雛形。按計劃該技術(shù)將在2012年底逐步引入，2014年開始大規(guī)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。無齒輪風(fēng)力渦輪機是在布蘭德出爐的另一大創(chuàng)新。傳統(tǒng)的風(fēng)電機組配備有一個齒輪箱和一個高速運轉(zhuǎn)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。替換后的無齒輪渦輪機的部件只有普通渦輪機的一半。這可以簡化維修，并顯著減小渦輪機的重量。由于改良后的機器可靠性更高，這種方案為西門子及其客戶節(jié)約了大量更換成本。以2010年推出的6兆瓦級無齒輪渦輪機為例，其重量比傳統(tǒng)的2.3兆瓦渦輪機小出10噸以上。海上風(fēng)力設(shè)施的安裝成本非常高昂，并且設(shè)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)車間與工程部辦公區(qū)之間的寬敞空地上，放著一個B52型號的旋翼葉片。這個葉片的外表是清新的白色，身長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(jié)構(gòu)。”Egedal語帶自豪地說。這種葉片的制造工藝就好比在沙箱中烤糕點。首先，將纖維玻璃放入兩個模具中，再將兩個模具中的玻璃纖維折疊起來、取出、填充樹脂并加熱。經(jīng)過24小時的處理，纖維玻璃被“烤”成旋翼葉片。接下來，專家們會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，這個小小的細節(jié)又使效率提升2%到3%。

上圖：正在裝配無齒輪渦輪機，完成后將進行測試運轉(zhuǎn)。西門子已經(jīng)針對海上的惡劣環(huán)境，專門研發(fā)出6兆瓦級無齒輪渦輪機。

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現(xiàn)優(yōu)化。在為這些發(fā)電機制造機艙的大型車間中，懸掛著一臺 LED顯示器。這臺顯示器實際上是一個時鐘，它當(dāng)前顯示的時間是1:44，并且在做倒計時。它提醒工人們當(dāng)前的生產(chǎn)工序必須在此時間內(nèi)完成。也就是說，這里的每一道工序都像汽車工廠一樣有嚴格的計時。每個生產(chǎn)工序的時間為兩個小時；時間一到部件就會滾動到下一工作臺。要將機艙外殼與其內(nèi)部部件組裝好，需要經(jīng)過八個工作臺的處理，而這些組件包括齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統(tǒng)、計算機、測量儀器和艙門。整個工藝完成后出來的產(chǎn)品是完整的機艙，它帶有一個用于安裝旋翼葉片的凸出輪轂。

新系統(tǒng)使整個渦輪機組的制造時間從2010年的36個小時縮短到目前的19個小時，從而節(jié)約了大量成本。西門子的成功表明這是一條正確的路線。布蘭德工廠在將近十年前約有800名員工；而現(xiàn)在已經(jīng)有3200名員工。過去這個工廠每年的渦輪機總產(chǎn)量為450兆瓦；而現(xiàn)在它生產(chǎn)的渦輪機總裝機產(chǎn)能約達4000兆瓦。考慮到所有這些因素，西門子的現(xiàn)有空間已經(jīng)不能滿足其需求，因此該工廠正在新建一個生產(chǎn)車間，建成后將用于制造2.3兆瓦機艙。“我們這里的廠房擴建似乎就沒有停止過。”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月，這需要大約200萬次的振動。西門子便是通過這種方式來模擬20年左右的運轉(zhuǎn)，從而測試材料的耐用性。

Stiesda團隊研發(fā)的另一個創(chuàng)新也在此接受了測試：被視為未來旋翼葉片的“阿拉伯彎刀”。這種葉片在受到風(fēng)力時會稍有彎曲，從而減小負荷。這種新概念稱作“氣動裁剪葉片”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)團沖擊著葉片，而且風(fēng)向多變不定。塑料葉片可以根據(jù)風(fēng)力靈活調(diào)整。同時由于這種葉片材料受到的磨損較小，其使用壽命便會延長。這種新型葉片及其改進的穩(wěn)定性使生產(chǎn)出的轉(zhuǎn)子能夠擁有更長的使用壽命，并且可以在不增加氣動負荷的情況下生產(chǎn)更多電能。實際上，新葉片長53米，比以往的葉片長出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)出一個程序，它可以調(diào)節(jié)風(fēng)電廠中每個轉(zhuǎn)子的負荷，從而達到優(yōu)化整體性能的目的。如果風(fēng)電廠的轉(zhuǎn)子之間的間距太小，則轉(zhuǎn)子很可能會因為渦輪機轉(zhuǎn)子的微波而遭到很大損耗。“在這種情況下，一個有效的辦法就是，將渦輪機按順序逐個適量遞減產(chǎn)量。”Egedal介紹道。

強勁未來。更大、更輕、更強勁——風(fēng)力渦輪機還有廣闊的進一步優(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行測試。按計劃將于2014年開始大規(guī)模生產(chǎn)。在布蘭德的工程部辦公區(qū)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。一段時間以來，Stiesdal和他的團隊已經(jīng)在努力研發(fā)眾多微小改進，通過這些改進將有望生產(chǎn)出擁有100米長旋翼葉片的10兆瓦級渦輪機。產(chǎn)能越高，渦輪機的效率越高，電價也就更低。

不過裝機產(chǎn)能也并非可以無限擴大。“對于海上渦輪機來說，10兆瓦可能就是極限了。”Stiesdal說，“而在陸上風(fēng)電廠，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、免維護運行和特長使用壽命，仍可與熱電廠并駕齊驅(qū)——可不僅僅是在新西蘭。