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秦海岩:从技术的本质谈风电的起源、今生和未来

日期:2022-05-18    来源:国际能源网/风电头条

能源资讯中心

2022
05/18
19:21
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关键词: 秦海岩 风电技术 道达尔能源

第十一届道达尔能源中国科学论坛秦海岩演讲视频,从技术的本质谈风电的起源、今生和未来。

演讲首先从布莱恩·阿瑟的《技术的本质》一书,引出什么是技术,技术的本质是对现象的有目的编程,以及任何技术都必须是原有技术的组合,技术自己会进化出更多新技术等核心话题,再结合风能利用三千年的漫长历史,详解了一百多年来风电技术的起源、今生和未来。

这是一次讲述风电发展历史的有趣故事会,也是一场思考风电技术本质的知识盛宴。

请横屏查看演讲PPT

  演讲文字实录:

非常高兴参加今年的道达尔中国科学论坛,因为疫情的原因,虽然我们不能见面,但是还能在网上跟大家做交流。当然网络技术跟其他任何技术一样,有利就有弊,个人觉得这种网上交流效果肯定没有面对面的好。像我今天本来是做了一个很长的、很大的一个横轴的画像,像一张《清明上河图》,想把风电的起源、今生和未来发展,以一张长图的形式给展现出来,但今天在网上播放,可能这个效果就不是那么好了。

言归正传,今天我想谈谈风电从最早利用风车提水、磨面,到现在发展出最大的16兆瓦的风电机组的过程中,风电是怎么一路走过来的,以及未来它将走向何方?

谈到风电技术进化和发展方向。首先要强调的是,风电首先也是一种技术。我最近在琢磨从什么角度来谈风电技术的发展,突然想到,首先应该对技术的本质有一个深刻的认识。

前两年读了一本书叫《技术的本质》,我觉得这本书非常好。我想要按照这本书的对技术的本质的定义,来谈谈风电的起源、今生和未来的走向。

这本书我真的推荐大家去好好读一读,而且我认为所有的做工程师,所有的搞研发的技术人员,都应该去读一读这本书。读了之后你会有豁然开朗之感,会有很深的体会,我觉得对未来我们的技术创新工作会有很大的启发。

找到这本书之前,很多年我一直很疑惑,百思不得其解,什么是技术的?它本质到底是什么?人类怎么就能发明了这些技术?

从最早我们用钻木取火,这也是一种技术,从人类能利用火,到现在的原子弹、核电站;从最早的海盗利用帆船的海盗船,到现在美国的阿帕奇直升机,这么先进,人类怎么就能把技术从一个简单,逐步发展到这么复杂的一个系统?

那么技术是什么呢?

一个装置,一台电视机,一个柴油发动机它也是个技术;化工的一个过程,炼钢炼油这种化学工程也是个技术;甚至一个算法,比如现在我们人工智能很多算法,它也是一种技术,这都是技术的表现形式。

技术肯定是为了实现人的目的的一种手段,技术到底本质上是什么?我觉得这本书上对技术做了一个非常好的定义。

首先,技术的本质是对自然现象的有目的的编程;第二,任何技术都是原有技术的基础上的组合;然后,为了解决新技术带来新问题和新需求,会进一步导致新的更多的技术的出现。如果一个国家如果想引领先进技术发展,需要的不是投资更多的工业园或者含糊的培养所谓的“创新”,现在我们天天讲创新,不讲创新都没法讲话,创新无所不在,但其实很多所谓的“创新”都是无本之源,所以作者说要想在技术上领先,需要建立基础学科,而不带有任何商业目的。

上面这四段话都来自《技术的本质》这本书,听起来可能比较抽象,所以我就尝试按照这本书的逻辑,谈谈风电的整个发展的过程。

最早对风能利用的起源,应该说是公元前3000年,在埃及壁画中就出现了最早的帆船,就像《技术的本质》作者布莱恩·阿瑟所定义的,“技术的起源都是对现象的应用,是对现象有目的的编程”。

这是什么意思呢?大家看看,想想我们现在众所周知的很多技术,无外乎都是对自然现象的一种应用。

举个例子,比如说汽车,它利用什么现象?

第一,它利用现象就是说汽油、柴油这种化学物质,它燃烧可以产生热,可以产生能量,可以驱动发动机旋转。所以这个是化学物质燃烧可以带来能量,这是一个自然现象。人们利用这个现象发明了发动机、柴油机、汽油机作为动力。

第二,汽车还利用什么现象?就是轮子。这种圆形的轮子,它滚动起来的摩擦力比较小,利用这个现象发明了轮子。在轮子的基础上结合发动机,我们就有了汽车。

还有很多技术,比如说在医学方面,其实更明显。很多技术也是源于现象。比如人类感染细菌之后就会危及生命的危险,后来为什么我们不怕感染了,就因为发现了青霉素。青霉素是怎么发现的呢?就是因为弗莱明在1928年,他发现在青霉素菌周围的培养皿旁边没有葡萄球菌的生长,它形成了一个无菌圈,所以他发现青霉素菌是可以消灭葡萄球菌这样的细菌的,所以发明了青霉素,挽救了成千上亿的人的生命。还有 X光机, 是因为伦琴发现了X射线具有穿透性的现象,X光机发明之后可用于医学的检查,人们骨折都拍X光片,所有的技术它的起源都是对现象的利用。

风电行业也是一样。风电起源就是因为风可以有力量,有能量,吹在物体上可以产生力。最早的人类利用风,就是帆船,帆船沿着它的技术路径在不断的发展,帆船也越来越复杂,原来可能单帆,后来风帆的数量越来越多,还可以控制航向,可以提高速度。

古巴比伦、中国和希腊早期就出现了风车,利用风的力量,实现磨面、提水,主要在农业上应用,这是最早的人类对“风可以产生力”这样的自然现象,利用这种现象发明了帆船、风车。

但一直到了1888年,美国的查尔斯·布鲁斯,才发明了第一台用风力的发电机。这台风力发电机组的功率只有12千瓦,但是它的叶轮直径却有17米长,叶片是由144个松木制作成,这还是一种阻力性风机,然后风吹到上就旋转,然后产生电能。这台风机运行了20年。现在大家都知道风力发电机组设计寿命都是20年,其实这20年我认为不是科学计算出来,说20年最有经济性,可能真是由于当时第一台风机运行了20年,所以从那以后我们设计风机的时候,现在都假定设计寿命按20年设计,它疲劳寿命以二十年来。这个故事就像过去的铁轨的尺寸为什么这么宽?是因为当时火车是用马来拉的,正好是两个马的屁股之间的宽度,就是铁轨的宽度,所以我怀疑风电的20年寿命可能也是因为这样来的,所以这是最早世界上第一台真正的风力发电机组。

从公元前1000年人类发明风车进行磨面、提水辅助农业生产,到1888年我们才发明了现代意义上的风力发电机组,用了3000年的时间。

为什么从磨面、农业的提水到风力发电机组,我们用了3000年的时间,这是什么原因?

这要回到刚才谈到的《技术的本质》里面布莱恩·阿瑟说的是:技术都是由原有技术基础上组合产生的。没有新的需求和新的技术加以组合,技术就无法进化。

我再举个例子,你比如说我们的战斗机要飞行,参与空战并夺取制空权,但是战斗机它由什么构成?大家可以想想:有发动机,有传控系统、飞控系统、雷达系统、电子系统,还有飞行员的生命支持等系统。每个系统中,比如发动机里面,它又有很多部件,它有供油的,有燃料的,然后有燃烧的,有喷气的,有各种的涡轮的这样的次级的部件,所以我们说,所有的技术都是在原有基础上组合而成的。

我们说为什么过了3000年风的利用才从提水磨面走到了发电?是因为我们要研发出风力发电机组,除了利用风的技术,我们已经有了,我们靠叶轮可以产生旋转的动力,在磨面、提水的时候就可以做到了,但是我们要研发出风力发电机组,必须得有电力的技术,没有电和发电的技术,我们也不可能组合出风力发电机组。 

那大家看看我们发明了电又是什么时候?直到1752年,富兰克林放风筝把电引下来,才发现了电是具有能量的。到了1866年,西门子发明了第一台发电机,到1879年,爱迪生发明了电灯。另外,爱迪生跟特斯拉关于交直流打架的故事,大家可以去看看《光电帝国》这本书,还有电影。

到了1752年到1879年才发现了电,那电这项技术是怎样发明的?也是因为人类发现了切割磁力线可以产生电这样的现象,从摩擦生电的现象逐步发展出发电机,电灯等,构建起我们整个电力系统。所以说这是为什么说到了1888年我们才有了风力发电机。风力发电机它也是在原有技术基础上组合而成的,这也符合布莱恩·阿瑟的对技术定义——技术都是组合而成的观点。

这台风力发电机组它组合了叶轮,风电的叶轮它可以风的情况下产生力;然后它组合了发电机,发电机又是利用了切割磁力线会产生电这样的现象,叶轮是因为风吹到叶轮上会产生力推动它旋转这样的现象。两个现象然后发明了叶轮技术和发电机的技术组合到一块,产生了风力发电的技术,所以说“原有技术组合产生了新的技术。”

到了1901年后,虽然我们在1888年就发明了风力发电的技术,出现了第一台风力发电机组,但是整个二十世纪前五六十年,基本上风力发电的发展还是非常缓慢,为什么呢?因为在这个时期,人类发现了石油,然后还有特斯拉的交流发电系统,可以集中供电,用煤和燃油发电可能功率更大,效率更高、经济性更好和更便宜,导致对风力发电这种技术就没有需求。

所以说需求是推动创新和技术发展的最主要推动力,因为技术是实现人类目的这种手段,风力发电虽然能满足人类对电力的需求,但是因为我们有石油,有煤炭这样的发电技术,比风电更经济,更可靠,更容易获得,所以风力发电技术就没有发展起来。

但是到了第二次世界大战,1942年,丹麦发明了现代意义上叫“丹麦式结构”的风力发电机组,就是一个塔筒,三个叶轮,然后驱动发电机旋转,就是我这个图上的第一台现代风电机组结构的雏形,从1942年这样的结构形式发明之后,就已经演化成现在的风力发电机的主流形式,即三个叶轮、高塔筒、水平轴,这个形式也是最经济、最有发展优势的。

1942年发明之后,它发展得还是比较缓慢,为什么没发展起来?还是因为需求。

到了1973年,发生了第一次全球的能源危机,这时候为了摆脱能源危机,实现能源安全,美国能源部和NASA太空署合作,开始研究更先进的风力发电机组,这时候他们把航空航天的技术又组合进来了。刚才也说了,技术任何技术都原有技术组合,这时候NASA把它的航空领域的气动翼型的设计引入了风电叶片的设计中。现在,我们所有的叶片的供应商都有拥有自研的气动翼型的专利设计,因为气动设计原来是阻力性,现在变成了升力性,因为它有翼型,它的效率就更高,同样风速下产生的能量就更大,风电就可更经济。风力发电机组在1981年取得了一个巨大的进步,就是因为我们把航空航天技术组合进来,利用了航空航天技术的翼型的优势和先进性。

到了上个世纪80年代,90年代到21世纪初,这个阶段是什么?是IT技术的飞快的发展, CAD/CAE这种工程仿真、模拟分析的技术,这些技术原来也是用在航天航空领域,只有航空航天领域才用得起这种先进的技术。但是因为IT技术的进步,IT计算能力的提高,尤其是计算机成本的大幅的下降,使我们有了经济性,有能力把这种CAD/CAE技术也用在风电行业,到后来开发了更先进的多体动力学分析的软件,使我们的风力发电机组现在设计到了一个数值仿真的阶段,也就是说我们能通过这个理论的分析,使我们的翼型设计更准确,使我们的设备的设计更精细化,而且使我们设计的风电机组更高效,极大地降低了成本。

到了2000年左右,CFD这种流体分析技术也产生了质的飞跃,各种商业化的CFD软件也得到了普遍的应用。这个软件使我们在开发风电场过程中,尤其是考虑到风电场尾流的影响,而且不同的地形对风力发电机组的微观选址有很大的影响。有人讲过在起伏的这种复杂地形的时候,风电机组的微观选址,就是机组放在什么位置,可能差100米它的发电小时数能差100~200小时,所以CFD的分析技术的在我们风电行业的应用,使我们在微观选址方面也得到极大提高,使我们的风电场的开发更有效,效率更好,发电量更高。

早在上世纪30年代,环氧树脂和玻璃纤维开始大规模的开发和应用,当然,这些玻璃纤维和环氧树脂首先也是在其他行业得到应用的,这得益于化工技术不断的发展。但直到1980年,第一批树脂、玻璃纤维增强材料的叶片才开始生产,也就是说化工技术又开始组合进来,使现在我们叶片可以达到最长的107米。前两天我们在阳江的国家海上风电质量检验检测中心,刚对东方风电的一支103米的叶片进行了实验。如果没有化工技术,没有环氧树脂,没有玻璃纤维增强材料等技术的引入到风电行业,我们不可能做出这么大的叶片,风电的单机容量不可能增长,成本也不可能急剧的下降。

刚才我们讲到了化工技术被组合到风电行业,计算机IT技术它的仿真模拟被组合到风电行业,然后航空航天领域的翼型和设计技术组合进来。实际,我们在精密制造领域,比如大型的轴承,支撑我们充电可以越做越大,还有电气和工控设备,使我们的风电越来越智能化,可以实现自动控制,摩擦学与润滑技术在我们的风电齿轮箱中得到广泛的应用,包括还有一些管理技术,如ISO9000、ISO14000这种质量管理技术加入到我们风电行业。

总之方方面面众多技术组合成就了今日风电的行业。

按这条路径思考,未来我们风电还有哪些方面发展呢?

最关键的是未来的风电肯定是要大型化,是我们主力的方向。刚才我讲了,现在国内海上风电10~11兆瓦的风电机组已经批量生产,13兆瓦的样机已下线,明年将有16兆瓦,后年可能有18兆瓦,就是20兆瓦级的风力发电机组还会下线。叶片肯定会在两三年之内可达到120米,这种大型化趋势就需要我们更多的技术组合进来。

比如说叶片,我们希望就是说碳纤维的成本能大幅下降,我也知道现在很多的企业在进行大丝数低模量碳纤维的扩产,当碳纤维成本降到100~80块钱每公斤的时候,碳纤维就可以在叶片得到广泛应用,叶片就可以做得更长、更大、更轻。还有一些热塑性材料,高分子材聚合物这些材料科学的进步融入到风电行业,会使我们风电的大型化产生天翻地覆的一个变化。

智能化技术,现在图像识别、无人机、数字孪生等等技术的应用,使我们风电的运营进行了改头换面,使我们能从故障性维修转为状态监测和预防性维修,使我们风机更智能。

未来氢、制氨,氢能相关的制备、运输和存储,可以解决我们风电的波动性问题,未来要实现100%的可再生能源,以可再生能源为主导的世界,波动性需要靠储能技术,那氢可能是未来最主要的一个方式。

还有未来我们新型基础数值模拟技术,比如现在我们中尺度模拟做得已经很准确了,但是微尺度,未来我们叶片越来越大,很多大型化之后,很多我们原来的动力学都发生了质的改变,比如说叶片更柔了,它的气弹问题需要更精细的模拟。微尺度的CFD模拟的技术,数字仿真技术,如果能取得突破,那会提高我们精细化的设计水平,使我们风电产生更进一步的飞跃。

总之,风电也是一种技术,它符合了布莱恩·阿瑟在他的《技术的本质》一书里所描述的:它是对风的现象的运用,组合了方方面面的技术,是其他行业技术的发展,促进了风电行业的发展。所以说,只要其他技术能再进步,风电技术进步脚步就不会停止,风电的前景应该是无限的。

新的技术在未来与风电进行组合,技术会自己创造自己!而且风电行业自身努力之外,我们很多关键性性技术需要靠其他行业:化工行业、航空航天行业、计算机行业等理论去解决,尤其是基础研究与创新,是行业技术进步的关键。

我开头讲了,我们整天在说创新,但是创新是什么?应该更多的鼓励那些基础性的研究,不以商业化为目的的研究,去发现更多的现象,把现象总结成知识,总结成科学理论。最终,技术还是对现象应用,对现象有目的的编程。

那我们怎么获得先进的技术,就要去发现更多的现象,技术发展今天很多我们凭经验,凭这个直觉可以利用的现象已经基本发现差不多了,但是很多现象是需要科学知识,需要科学工具去支持才能发现的,像量子、原子等技术,需要更深入的研究才能发现这些现象,才能利用这些现象。

总之,市场的需求是推动技术的最根本的一个驱动力,因为我们现在要实现双碳目标,实现应对气候变化,我们要解决能源的安全问题,有这样的明确的市场需求,有各行各业的技术的进步,我们风电的前途是无限光明的。谢谢大家。

来源:道达尔能源中国科学论坛

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