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全球風電裝機近20萬兆瓦，足夠支持3500萬美國普通家庭的用電。在德國，風電占總發(fā)電量的十分之一。但是風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。

在新西蘭首都惠靈頓以西15公里的地方，West Wind Farm的62臺風力渦輪機不知疲倦地日夜運轉著。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)定的風力；還有一個原因是這里的風力渦輪機均為西門子出產(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施一樣，West Wind Farm的風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次的旋轉。

風能是當今前景的可再生資源之一。在德國，風力渦輪機的發(fā)電量已占全國發(fā)電量的10%；在風電的“發(fā)源地”丹麥，風電占發(fā)電總量的近25%，而作為目前全球的風電設施市場，中國成為主要客戶。當前全球風電裝機產(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(jù)歐洲風能協(xié)會（EWEA）測算，到2020年，歐盟每年的風電投資將翻倍，達到260億歐元。不過，這并不意味著到那時風電廠會隨處可見，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鍵因素。究其原因，可以舉個例子，若風力渦輪機的發(fā)電量增加1%，單位電價也就相應降低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。” 西門子風電產(chǎn)品部（Siemens Wind Power）*技術官 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。無論外行如何以為，實際上轉子不宜始終全速運轉，因為這樣會使其部件的磨損快于預期。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力負荷，并將該值與理想的應力數(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)化校準還能降低風塔上的應力，這樣風塔的鋼質塔壁可以做得更薄，那么“所需的鋼材量將立減7%，從而降低成本”。Egedal說。鑒于目前有些風力渦輪機動輒高達百米，此類節(jié)約會是非常可觀的。

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(zhí)行。

西門子渦輪機由西門子的三個全球風電控制中心進行監(jiān)測，這三個中心分別設在丹麥的布蘭德、德國的不來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建造了一個45米長的雛形。按計劃該技術將在2012年底逐步引入，2014年開始大規(guī)模生產(chǎn)。“這一技術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。無齒輪風力渦輪機是在布蘭德出爐的另一大創(chuàng)新。傳統(tǒng)的風電機組配備有一個齒輪箱和一個高速運轉的發(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構。”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。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，它當前顯示的時間是1:44，并且在做倒計時。它提醒工人們當前的生產(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?？紤]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。

風電產(chǎn)品部的員工們正在緊鑼密鼓地對風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，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（ATB），其在深海上的作用尤其明顯，因為在那里每秒高達100噸的風團沖擊著葉片，而且風向多變不定。塑料葉片可以根據(jù)風力靈活調(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)風電廠中每個轉子的負荷，從而達到優(yōu)化整體性能的目的。如果風電廠的轉子之間的間距太小，則轉子很可能會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——可不僅僅是在新西蘭。