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      秦海巖:從技術的本質談風電的起源、今生和未來

      道達爾能源中國科學論壇發布時間:2022-05-17 14:09:45

        第十一屆道達爾能源中國科學論壇秦海巖演講視頻,從技術的本質談風電的起源、今生和未來。

        演講文字實錄:

        非常高興參加今年的道達爾中國科學論壇,因為疫情的原因,雖然我們不能見面,但是還能在網上跟大家做交流。當然網絡技術跟其他任何技術一樣,有利就有弊,個人覺得這種網上交流效果肯定沒有面對面的好。像我今天本來是做了一個很長的、很大的一個橫軸的畫像,像一張《清明上河圖》,想把風電的起源、今生和未來發展,以一張長圖的形式給展現出來,但今天在網上播放,可能這個效果就不是那么好了。

        言歸正傳,今天我想談談風電從最早利用風車提水、磨面,到現在發展出最大的16兆瓦的風電機組的過程中,風電是怎么一路走過來的,以及未來它將走向何方?

        談到風電技術進化和發展方向。首先要強調的是,風電首先也是一種技術。我最近在琢磨從什么角度來談風電技術的發展,突然想到,首先應該對技術的本質有一個深刻的認識。

        前兩年讀了一本書叫《技術的本質》,我覺得這本書非常好。我想要按照這本書的對技術的本質的定義,來談談風電的起源、今生和未來的走向。

        這本書我真的推薦大家去好好讀一讀,而且我認為所有的做工程師,所有的搞研發的技術人員,都應該去讀一讀這本書。讀了之后你會有豁然開朗之感,會有很深的體會,我覺得對未來我們的技術創新工作會有很大的啟發。

        找到這本書之前,很多年我一直很疑惑,百思不得其解,什么是技術的?它本質到底是什么?人類怎么就能發明了這些技術?

        從最早我們用鉆木取火,這也是一種技術,從人類能利用火,到現在的原子彈、核電站;從最早的海盜利用帆船的海盜船,到現在美國的阿帕奇直升機,這么先進,人類怎么就能把技術從一個簡單,逐步發展到這么復雜的一個系統?

        那么技術是什么呢?

        一個裝置,一臺電視機,一個柴油發動機它也是個技術;化工的一個過程,煉鋼煉油這種化學工程也是個技術;甚至一個算法,比如現在我們人工智能很多算法,它也是一種技術,這都是技術的表現形式。

        技術肯定是為了實現人的目的的一種手段,技術到底本質上是什么?我覺得這本書上對技術做了一個非常好的定義。

        首先,技術的本質是對自然現象的有目的的編程;第二,任何技術都是原有技術的基礎上的組合;然后,為了解決新技術帶來新問題和新需求,會進一步導致新的更多的技術的出現。如果一個國家如果想引領先進技術發展,需要的不是投資更多的工業園或者含糊的培養所謂的“創新”,現在我們天天講創新,不講創新都沒法講話,創新無所不在,但其實很多所謂的“創新”都是無本之源,所以作者說要想在技術上領先,需要建立基礎學科,而不帶有任何商業目的。

        上面這四段話都來自《技術的本質》這本書,聽起來可能比較抽象,所以我就嘗試按照這本書的邏輯,談談風電的整個發展的過程。

        最早對風能利用的起源,應該說是公元前3000年,在埃及壁畫中就出現了最早的帆船,就像《技術的本質》作者布萊恩·阿瑟所定義的,“技術的起源都是對現象的應用,是對現象有目的的編程”。

        這是什么意思呢?大家看看,想想我們現在眾所周知的很多技術,無外乎都是對自然現象的一種應用。

        舉個例子,比如說汽車,它利用什么現象?

        第一,它利用現象就是說汽油、柴油這種化學物質,它燃燒可以產生熱,可以產生能量,可以驅動發動機旋轉。所以這個是化學物質燃燒可以帶來能量,這是一個自然現象。人們利用這個現象發明了發動機、柴油機、汽油機作為動力。

        第二,汽車還利用什么現象?就是輪子。這種圓形的輪子,它滾動起來的摩擦力比較小,利用這個現象發明了輪子。在輪子的基礎上結合發動機,我們就有了汽車。

        還有很多技術,比如說在醫學方面,其實更明顯。很多技術也是源于現象。比如人類感染細菌之后就會危及生命的危險,后來為什么我們不怕感染了,就因為發現了青霉素。青霉素是怎么發現的呢?就是因為弗萊明在1928年,他發現在青霉素菌周圍的培養皿旁邊沒有葡萄球菌的生長,它形成了一個無菌圈,所以他發現青霉素菌是可以消滅葡萄球菌這樣的細菌的,所以發明了青霉素,挽救了成千上億的人的生命。還有 X光機, 是因為倫琴發現了X射線具有穿透性的現象,X光機發明之后可用于醫學的檢查,人們骨折都拍X光片,所有的技術它的起源都是對現象的利用。

        風電行業也是一樣。風電起源就是因為風可以有力量,有能量,吹在物體上可以產生力。最早的人類利用風,就是帆船,帆船沿著它的技術路徑在不斷的發展,帆船也越來越復雜,原來可能單帆,后來風帆的數量越來越多,還可以控制航向,可以提高速度。

        古巴比倫、中國和希臘早期就出現了風車,利用風的力量,實現磨面、提水,主要在農業上應用,這是最早的人類對“風可以產生力”這樣的自然現象,利用這種現象發明了帆船、風車。

        但一直到了1888年,美國的查爾斯·布魯斯,才發明了第一臺用風力的發電機。這臺風力發電機組的功率只有12千瓦,但是它的葉輪直徑卻有17米長,葉片是由144個松木制作成,這還是一種阻力性風機,然后風吹到上就旋轉,然后產生電能。這臺風機運行了20年?,F在大家都知道風力發電機組設計壽命都是20年,其實這20年我認為不是科學計算出來,說20年最有經濟性,可能真是由于當時第一臺風機運行了20年,所以從那以后我們設計風機的時候,現在都假定設計壽命按20年設計,它疲勞壽命以二十年來。這個故事就像過去的鐵軌的尺寸為什么這么寬?是因為當時火車是用馬來拉的,正好是兩個馬的屁股之間的寬度,就是鐵軌的寬度,所以我懷疑風電的20年壽命可能也是因為這樣來的,所以這是最早世界上第一臺真正的風力發電機組。

        從公元前1000年人類發明風車進行磨面、提水輔助農業生產,到1888年我們才發明了現代意義上的風力發電機組,用了3000年的時間。

        為什么從磨面、農業的提水到風力發電機組,我們用了3000年的時間,這是什么原因?

        這要回到剛才談到的《技術的本質》里面布萊恩·阿瑟說的是:技術都是由原有技術基礎上組合產生的。沒有新的需求和新的技術加以組合,技術就無法進化。

        我再舉個例子,你比如說我們的戰斗機要飛行,參與空戰并奪取制空權,但是戰斗機它由什么構成?大家可以想想:有發動機,有傳控系統、飛控系統、雷達系統、電子系統,還有飛行員的生命支持等系統。每個系統中,比如發動機里面,它又有很多部件,它有供油的,有燃料的,然后有燃燒的,有噴氣的,有各種的渦輪的這樣的次級的部件,所以我們說,所有的技術都是在原有基礎上組合而成的。

        我們說為什么過了3000年風的利用才從提水磨面走到了發電?是因為我們要研發出風力發電機組,除了利用風的技術,我們已經有了,我們靠葉輪可以產生旋轉的動力,在磨面、提水的時候就可以做到了,但是我們要研發出風力發電機組,必須得有電力的技術,沒有電和發電的技術,我們也不可能組合出風力發電機組。

        那大家看看我們發明了電又是什么時候?直到1752年,富蘭克林放風箏把電引下來,才發現了電是具有能量的。到了1866年,西門子發明了第一臺發電機,到1879年,愛迪生發明了電燈。另外,愛迪生跟特斯拉關于交直流打架的故事,大家可以去看看《光電帝國》這本書,還有電影。

        到了1752年到1879年才發現了電,那電這項技術是怎樣發明的?也是因為人類發現了切割磁力線可以產生電這樣的現象,從摩擦生電的現象逐步發展出發電機,電燈等,構建起我們整個電力系統。所以說這是為什么說到了1888年我們才有了風力發電機。風力發電機它也是在原有技術基礎上組合而成的,這也符合布萊恩·阿瑟的對技術定義——技術都是組合而成的觀點。

        這臺風力發電機組它組合了葉輪,風電的葉輪它可以風的情況下產生力;然后它組合了發電機,發電機又是利用了切割磁力線會產生電這樣的現象,葉輪是因為風吹到葉輪上會產生力推動它旋轉這樣的現象。兩個現象然后發明了葉輪技術和發電機的技術組合到一塊,產生了風力發電的技術,所以說“原有技術組合產生了新的技術。”

        到了1901年后,雖然我們在1888年就發明了風力發電的技術,出現了第一臺風力發電機組,但是整個二十世紀前五六十年,基本上風力發電的發展還是非常緩慢,為什么呢?因為在這個時期,人類發現了石油,然后還有特斯拉的交流發電系統,可以集中供電,用煤和燃油發電可能功率更大,效率更高、經濟性更好和更便宜,導致對風力發電這種技術就沒有需求。

        所以說需求是推動創新和技術發展的最主要推動力,因為技術是實現人類目的這種手段,風力發電雖然能滿足人類對電力的需求,但是因為我們有石油,有煤炭這樣的發電技術,比風電更經濟,更可靠,更容易獲得,所以風力發電技術就沒有發展起來。

        但是到了第二次世界大戰,1942年,丹麥發明了現代意義上叫“丹麥式結構”的風力發電機組,就是一個塔筒,三個葉輪,然后驅動發電機旋轉,就是我這個圖上的第一臺現代風電機組結構的雛形,從1942年這樣的結構形式發明之后,就已經演化成現在的風力發電機的主流形式,即三個葉輪、高塔筒、水平軸,這個形式也是最經濟、最有發展優勢的。

        1942年發明之后,它發展得還是比較緩慢,為什么沒發展起來?還是因為需求。

        到了1973年,發生了第一次全球的能源危機,這時候為了擺脫能源危機,實現能源安全,美國能源部和NASA太空署合作,開始研究更先進的風力發電機組,這時候他們把航空航天的技術又組合進來了。剛才也說了,技術任何技術都原有技術組合,這時候NASA把它的航空領域的氣動翼型的設計引入了風電葉片的設計中?,F在,我們所有的葉片的供應商都有擁有自研的氣動翼型的專利設計,因為氣動設計原來是阻力性,現在變成了升力性,因為它有翼型,它的效率就更高,同樣風速下產生的能量就更大,風電就可更經濟。風力發電機組在1981年取得了一個巨大的進步,就是因為我們把航空航天技術組合進來,利用了航空航天技術的翼型的優勢和先進性。

        到了上個世紀80年代,90年代到21世紀初,這個階段是什么?是IT技術的飛快的發展, CAD/CAE這種工程仿真、模擬分析的技術,這些技術原來也是用在航天航空領域,只有航空航天領域才用得起這種先進的技術。但是因為IT技術的進步,IT計算能力的提高,尤其是計算機成本的大幅的下降,使我們有了經濟性,有能力把這種CAD/CAE技術也用在風電行業,到后來開發了更先進的多體動力學分析的軟件,使我們的風力發電機組現在設計到了一個數值仿真的階段,也就是說我們能通過這個理論的分析,使我們的翼型設計更準確,使我們的設備的設計更精細化,而且使我們設計的風電機組更高效,極大地降低了成本。

        到了2000年左右,CFD這種流體分析技術也產生了質的飛躍,各種商業化的CFD軟件也得到了普遍的應用。這個軟件使我們在開發風電場過程中,尤其是考慮到風電場尾流的影響,而且不同的地形對風力發電機組的微觀選址有很大的影響。有人講過在起伏的這種復雜地形的時候,風電機組的微觀選址,就是機組放在什么位置,可能差100米它的發電小時數能差100~200小時,所以CFD的分析技術的在我們風電行業的應用,使我們在微觀選址方面也得到極大提高,使我們的風電場的開發更有效,效率更好,發電量更高。

        早在上世紀30年代,環氧樹脂和玻璃纖維開始大規模的開發和應用,當然,這些玻璃纖維和環氧樹脂首先也是在其他行業得到應用的,這得益于化工技術不斷的發展。但直到1980年,第一批樹脂、玻璃纖維增強材料的葉片才開始生產,也就是說化工技術又開始組合進來,使現在我們葉片可以達到最長的107米。前兩天我們在陽江的國家海上風電質量檢驗檢測中心,剛對東方風電的一支103米的葉片進行了實驗。如果沒有化工技術,沒有環氧樹脂,沒有玻璃纖維增強材料等技術的引入到風電行業,我們不可能做出這么大的葉片,風電的單機容量不可能增長,成本也不可能急劇的下降。

        剛才我們講到了化工技術被組合到風電行業,計算機IT技術它的仿真模擬被組合到風電行業,然后航空航天領域的翼型和設計技術組合進來。實際,我們在精密制造領域,比如大型的軸承,支撐我們充電可以越做越大,還有電氣和工控設備,使我們的風電越來越智能化,可以實現自動控制,摩擦學與潤滑技術在我們的風電齒輪箱中得到廣泛的應用,包括還有一些管理技術,如ISO9000、ISO14000這種質量管理技術加入到我們風電行業。

        總之方方面面眾多技術組合成就了今日風電的行業。

        按這條路徑思考,未來我們風電還有哪些方面發展呢?

        最關鍵的是未來的風電肯定是要大型化,是我們主力的方向。剛才我講了,現在國內海上風電10~11兆瓦的風電機組已經批量生產,13兆瓦的樣機已下線,明年將有16兆瓦,后年可能有18兆瓦,就是20兆瓦級的風力發電機組還會下線。葉片肯定會在兩三年之內可達到120米,這種大型化趨勢就需要我們更多的技術組合進來。

        比如說葉片,我們希望就是說碳纖維的成本能大幅下降,我也知道現在很多的企業在進行大絲數低模量碳纖維的擴產,當碳纖維成本降到100~80塊錢每公斤的時候,碳纖維就可以在葉片得到廣泛應用,葉片就可以做得更長、更大、更輕。還有一些熱塑性材料,高分子材聚合物這些材料科學的進步融入到風電行業,會使我們風電的大型化產生天翻地覆的一個變化。

        智能化技術,現在圖像識別、無人機、數字孿生等等技術的應用,使我們風電的運營進行了改頭換面,使我們能從故障性維修轉為狀態監測和預防性維修,使我們風機更智能。

        未來氫、制氨,氫能相關的制備、運輸和存儲,可以解決我們風電的波動性問題,未來要實現100%的可再生能源,以可再生能源為主導的世界,波動性需要靠儲能技術,那氫可能是未來最主要的一個方式。

        還有未來我們新型基礎數值模擬技術,比如現在我們中尺度模擬做得已經很準確了,但是微尺度,未來我們葉片越來越大,很多大型化之后,很多我們原來的動力學都發生了質的改變,比如說葉片更柔了,它的氣彈問題需要更精細的模擬。微尺度的CFD模擬的技術,數字仿真技術,如果能取得突破,那會提高我們精細化的設計水平,使我們風電產生更進一步的飛躍。

        總之,風電也是一種技術,它符合了布萊恩·阿瑟在他的《技術的本質》一書里所描述的:它是對風的現象的運用,組合了方方面面的技術,是其他行業技術的發展,促進了風電行業的發展。所以說,只要其他技術能再進步,風電技術進步腳步就不會停止,風電的前景應該是無限的。

        新的技術在未來與風電進行組合,技術會自己創造自己!而且風電行業自身努力之外,我們很多關鍵性性技術需要靠其他行業:化工行業、航空航天行業、計算機行業等理論去解決,尤其是基礎研究與創新,是行業技術進步的關鍵。

        我開頭講了,我們整天在說創新,但是創新是什么?應該更多的鼓勵那些基礎性的研究,不以商業化為目的的研究,去發現更多的現象,把現象總結成知識,總結成科學理論。最終,技術還是對現象應用,對現象有目的的編程。

        那我們怎么獲得先進的技術,就要去發現更多的現象,技術發展今天很多我們憑經驗,憑這個直覺可以利用的現象已經基本發現差不多了,但是很多現象是需要科學知識,需要科學工具去支持才能發現的,像量子、原子等技術,需要更深入的研究才能發現這些現象,才能利用這些現象。

        總之,市場的需求是推動技術的最根本的一個驅動力,因為我們現在要實現雙碳目標,實現應對氣候變化,我們要解決能源的安全問題,有這樣的明確的市場需求,有各行各業的技術的進步,我們風電的前途是無限光明的。謝謝大家。

        來源:道達爾能源中國科學論壇

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