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时间：2018-12-21

空中也降价

**风电装机近20万兆瓦，足够支持3500万美国普通家庭的用电。在德国，风电占总发电量的十分之一。但是风电的价格通常**热电厂生产的电。西门子的工程师们正在开发能够较大改变这种状况的技术。

在新西兰首都惠灵顿以西15公里的地方，West Wind Farm的62台风力涡轮机不知疲倦地日夜运转着。这些涡轮机有其特别之处。首先它们是从2万公里之遥的丹麦布兰德（Brande）绕过大半个地球运抵这里的。这62台涡轮机，每一台的装机产能为2.3兆瓦，总装机产能达140兆瓦，足够支持7万户家庭的用电需求。此外，West Wind Farm的电价与热电的电价并无差别。

这种电价优势的原因之一是惠灵顿地区强劲、稳定的风力；还有一个原因是这里的风力涡轮机均为西门子出产的高科技设备，其研发需要大量的技能和工程专业知识。**大亮点是纤维玻璃旋翼叶片，西门子将这种叶片打造成一体式单元，免去了任何焊接。这使得它们较其坚固，因为叶片上没有任何会引起断裂的薄弱点。此外，轮毂和机舱内安装有传感器，时刻监测着机组的运行参数，一旦探测到可疑偏差便发出警报音。正如所有其他西门子设施一样，West Wind Farm的风力涡轮机的设计使用寿命为20年，因此必须能够承受得住亿万次的旋转。

风能是当今较具前景的可再生资源之一。在德国，风力涡轮机的发电量已占全国发电量的10%；在风电的“发源地”丹麦，风电占发电总量的近25%，而作为目前**较大的风电设施市场，中国成为主要客户。当前**风电装机产能即将达到20万兆瓦，这个数字正在以每三年翻一番的速度增长。据欧洲**估算，截至2030年仅欧洲沿海水域的装机产能就将达到13.5万兆瓦。这个数字十分可观，几乎相当于德国所有电厂的总装机产能（17万兆瓦）。欧洲**认为，截至2050年风电设施在欧洲所占的发电比例或将剧增十倍，由5%攀升至50%。据欧洲风能协会（EWEA）测算，到2020年，欧盟每年的风电投资将翻倍，达到260亿欧元。不过，这并不意味着到那时风电厂会随处可见，因为这些投资将有大部分用于更新换代，也就是将老旧设备换成更强大的新涡轮机。

乡村高科技。在丹麦，有一个**风电中心。布兰德是一个小镇，坐落于北海和波罗的海之间的丘陵地带，**眼望去仿若静谧的田园村庄。不过，在小城边缘矗立着一座西门子工厂，这里有数千名员工，其中包括大约500名工程师，他们的工作是研发使风力涡轮机更高效、因而价格更低廉的新解决方案。36岁的Per Egedal就是这些工程师中的一员，也是西门子“2011年度创新之星”的得主。Per Egedal的辛勤工作使西门子的风力涡轮机一跃成为目前世界上较高效的机组之一，而效率恰恰是竞争力的关键因素。究其原因，可以举个例子，若风力涡轮机的发电量增加1%，单位电价也就相应降低1%。然而话说回来，我们仍然任重道远，毕竟由于安装和维护成本都更高，目前5到7欧分/度的陆地发电电价，到了海上发电那里就变成了15欧分。“我们需要使每度电的电价降到4到5分，才能在**范围内取代热力发电。” 西门子风电产品部（Siemens Wind Power）**技术官 Henrik Stiesdal表示。Stiesdal对此充满信心，原因之一就是同事Per Egedal的新发明。

Egedal的创新之一是一个软件程序，它用来调节涡轮机上的风力，以使涡轮机在其20年的使用寿命中可以始终在零损耗状态下运转。无论外行如何以为，实际上转子不宜始终全速运转，因为这样会使其部件的磨损快于预期。正是基于这一原因，西门子才在轮毂上安装了用于监测叶片负荷的传感器。Egedal研发的软件利用传感器的测量数据来确定涡轮机在任何特定时间所承受的应力负荷，并将该值与理想的应力数据表进行比较。根据偏差的幅度大小，软件可能会临时性减小涡轮机的发电量。“对于电力公司来说，更重要的不是始终追求较大化的产量，甚至无视条件的恶劣，而是风力涡轮机能够尽可能维持更长的工作发电寿命。”Egedal介绍道。

对旋翼叶片进行优化校准还能降低风塔上的应力，这样风塔的钢质塔壁可以做得更薄，那么“所需的钢材量将立减7%，从而降低成本”。Egedal说。鉴于目前有些风力涡轮机动辄高达百米，此类节约会是非常可观的。

Egedal还研发出一种监测程序，该程序通过利用传感器测量机舱内的振动频率来及早洞察旋翼叶片损耗。频率模式反映叶片状况。当检测到频率模式的变化时，该软件会发出警报音。然后技术人员可以分析是否有必要进行维修，如果需要维修，则还要判断为避免其他部件受损，应该先维修哪些部件。由于转子不应停下太久，所以维修工作必须尽快执行。

西门子涡轮机由西门子的三个**风电控制中心进行监测，这三个中心分别设在丹麦的布兰德、德国的不来梅和英国的纽卡斯尔。这些控制中心还负责管理软件安装和更新，它们通过互联网可以将软件和更新发送到受其监测的4000台涡轮机。

“为了提高风电的竞争力，还有很多循序渐进的工作要做。”Stiesdal表示，“从制造到维护，我们的创新着眼于整个价值链。”举例来说，未来在旋翼叶片成型中将用单纤维材料取代纤维玻璃毡。欧洲、美国和中国有很多公司生产纤维玻璃毡，但其编制工艺不仅耗时，而且成本颇高，因此单纤维材料的使用不失为一个好办法。西门子已经利用单纤维材料技术建造了一个45米长的雏形。按计划该技术将在2012年底逐步引入，2014年开始大规模生产。“这一技术再加之其他酝酿中的工艺优化措施，将使旋翼叶片的生产成本减半。”Stiesdal如是道。

事半功倍。无齿轮风力涡轮机是在布兰德出炉的另一大创新。传统的风电机组配备有一个齿轮箱和一个高速运转的发电机，但是二者均可以由低速大扭矩同步发电机替代。替换后的无齿轮涡轮机的部件只有普通涡轮机的一半。这可以简化维修，并显着减小涡轮机的重量。由于改良后的机器可靠性更高，这种方案为西门子及其客户节约了大量更换成本。以2010年推出的6兆瓦级无齿轮涡轮机为例，其重量比传统的2.3兆瓦涡轮机小出10吨以上。海上风力设施的安装成本非常高昂，并且设施不在陆上，维修不便，因而这种重量缩减尤显重要。

在布兰德的生产车间与工程部办公区之间的宽敞空地上，放着一个B52型号的旋翼叶片。这个叶片的外表是清新的白色，身长52米，它体型雅致，颇似一只清瘦的白鲸。“我们的旋翼叶片是世界上较大的一体式纤维玻璃结构。”Egedal语带自豪地说。这种叶片的制造工艺就好比在沙箱中烤糕点。首先，将纤维玻璃放入两个模具中，再将两个模具中的玻璃纤维折叠起来、取出、填充树脂并加热。经过24小时的处理，纤维玻璃被“烤”成旋翼叶片。接下来，*们会在叶片的周身粘上状似龙鳞的微型塑料齿。微型塑料齿确保了风以更大的强度冲击到叶片上，这个小小的细节又使效率提升2%到3%。

上图：正在装配无齿轮涡轮机，完成后将进行测试运转。西门子已经针对海上的恶劣环境，专门研发出6兆瓦级无齿轮涡轮机。

需求尤为旺盛的2.3兆瓦级发电机在制造工艺上也正在实现优化。在为这些发电机制造机舱的大型车间中，悬挂着一台 LED显示器。这台显示器实际上是一个时钟，它当前显示的时间是1:44，并且在做**。它提醒工人们当前的生产工序必须在此时间内完成。也就是说，这里的每一道工序都像汽车工厂一样有严格的计时。每个生产工序的时间为两个小时；时间一到部件就会滚动到下一工作台。要将机舱外壳与其内部部件组装好，需要经过八个工作台的处理，而这些组件包括齿轮箱、发电机、液压系统、计算机、测量仪器和舱门。整个工艺完成后出来的产品是完整的机舱，它带有一个用于安装旋翼叶片的凸出轮毂。

新系统使整个涡轮机组的制造时间从2010年的36个小时缩短到目前的19个小时，从而节约了大量成本。西门子的成功表明这是一条正确的路线。布兰德工厂在将近十年前约有800名员工；而现在已经有3200名员工。过去这个工厂每年的涡轮机总产量为450兆瓦；而现在它生产的涡轮机总装机产能约达4000兆瓦。考虑到所有这些因素，西门子的现有空间已经不能满足其需求，因此该工厂正在新建一个生产车间，建成后将用于制造2.3兆瓦机舱。“我们这里的厂房扩建似乎就没有停止过。”Egedal。

风电产品部的员工们正在紧锣密鼓地对风力涡轮机进行耐力等各种测试。例如，他们将旋翼叶片放在特殊的起重机上，不间断的前后摇摆三个月，这需要大约200万次的振动。西门子便是通过这种方式来模拟20年左右的运转，从而测试材料的耐用性。

Stiesda团队研发的另一个创新也在此接受了测试：被视为未来旋翼叶片的“阿拉伯弯刀”。这种叶片在受到风力时会稍有弯曲，从而减小负荷。这种新概念称作“气动裁剪叶片”技术（ATB），其在深海上的作用尤其明显，因为在那里每秒高达100吨的风团冲击着叶片，而且风向多变不定。塑料叶片可以根据风力灵活调整。同时由于这种叶片材料受到的磨损较小，其使用寿命便会延长。这种新型叶片及其改进的稳定性使生产出的转子能够拥有更长的使用寿命，并且可以在不增加气动负荷的情况下生产更多电能。实际上，新叶片长53米，比以往的叶片长出4米。“虽然叶片的总量减轻了500公斤，”Stiesdal介绍道，“它们的能源产量却提高了5%。”

西门子还有其他尚在酝酿中的创新。软件研发能手Egedal还研发出一个程序，它可以调节风电厂中每个转子的负荷，从而达到优化整体性能的目的。如果风电厂的转子之间的间距太小，则转子很可能会因为涡轮机转子的微波而遭到很大损耗。“在这种情况下，一个有效的办法就是，将涡轮机按顺序逐个适量递减产量。”Egedal介绍道。

强劲未来。更大、更轻、更强劲——风力涡轮机还有广阔的进一步优化空间。Stiesdal和他的团队所研发的6兆瓦级涡轮机雏形目前正在丹麦进行测试。按计划将于2014年开始大规模生产。在布兰德的工程部办公区旁边，可以看到1兆瓦级的涡轮机与这台新的巨型涡轮机相比很是瘦小。

然而6兆瓦并非终点。一段时间以来，Stiesdal和他的团队已经在努力研发众多微小改进，通过这些改进将有望生产出拥有100米长旋翼叶片的10兆瓦级涡轮机。产能越高，涡轮机的效率越高，电价也就更低。

不过装机产能也并非可以无限扩大。“对于海上涡轮机来说，10兆瓦可能就是极限了。”Stiesdal说，“而在陆上风电厂，涡轮机的装机产能较高也是在4兆瓦左右。”尽管如此，经过优化的巨型风力涡轮机凭借其成本效益、效率、免维护运行和特长使用寿命，仍可与热电厂并驾齐驱——可不仅仅是在新西兰。

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