秦海巖：從技術的本質談風電的起源、今生和未來

　　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(fā)展，以一張長圖的形式給展現(xiàn)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(xiàn)在發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(chuàng)新工作會有很大的啟發(fā)。

　　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(fā)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(xiàn)在的原子彈、核電站;從最早的海盜利用帆船的海盜船，到現(xiàn)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(fā)展到這么復雜的一個系統(tǒng)?

　　那么技術是什么呢?

　　一個裝置，一臺電視機，一個柴油發(fā)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(xiàn)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(xiàn)形式。

　　技術肯定是為了實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。如果一個國家如果想引領先進技術發(fā)展，需要的不是投資更多的工業(yè)園或者含糊的培養(yǎng)所謂的“創(chuàng)新”，現(xiàn)在我們天天講創(chuàng)新，不講創(chuàng)新都沒法講話，創(chuàng)新無所不在，但其實很多所謂的“創(chuàng)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(yè)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)象的應用，是對現(xiàn)象有目的的編程”。

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

　　舉個例子，比如說汽車，它利用什么現(xiàn)象?

　　第一，它利用現(xiàn)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(fā)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(xiàn)象。人們利用這個現(xiàn)象發(fā)明了發(fā)動機、柴油機、汽油機作為動力。

　　第二，汽車還利用什么現(xiàn)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(xiàn)象發(fā)明了輪子。在輪子的基礎上結合發(fā)動機，我們就有了汽車。

　　還有很多技術，比如說在醫(yī)學方面，其實更明顯。很多技術也是源于現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了青霉素。青霉素是怎么發(fā)現(xiàn)的呢?就是因為弗萊明在1928年，他發(fā)現(xiàn)在青霉素菌周圍的培養(yǎng)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(fā)現(xiàn)青霉素菌是可以消滅葡萄球菌這樣的細菌的，所以發(fā)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(fā)現(xiàn)了X射線具有穿透性的現(xiàn)象，X光機發(fā)明之后可用于醫(yī)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(xiàn)象的利用。

　　風電行業(yè)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(fā)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(xiàn)了風車，利用風的力量，實現(xiàn)磨面、提水，主要在農業(yè)上應用，這是最早的人類對“風可以產生力”這樣的自然現(xiàn)象，利用這種現(xiàn)象發(fā)明了帆船、風車。

　　但一直到了1888年，美國的查爾斯·布魯斯，才發(fā)明了第一臺用風力的發(fā)電機。這臺風力發(fā)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(xiàn)在大家都知道風力發(fā)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(xiàn)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(fā)電機組。

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

　　為什么從磨面、農業(yè)的提水到風力發(fā)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(zhàn)斗機要飛行，參與空戰(zhàn)并奪取制空權，但是戰(zhàn)斗機它由什么構成?大家可以想想：有發(fā)動機，有傳控系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、電子系統(tǒng)，還有飛行員的生命支持等系統(tǒng)。每個系統(tǒng)中，比如發(fā)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(fā)電?是因為我們要研發(fā)出風力發(fā)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(fā)出風力發(fā)電機組，必須得有電力的技術，沒有電和發(fā)電的技術，我們也不可能組合出風力發(fā)電機組。

　　那大家看看我們發(fā)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(fā)現(xiàn)了電是具有能量的。到了1866年，西門子發(fā)明了第一臺發(fā)電機，到1879年，愛迪生發(fā)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(fā)現(xiàn)了電，那電這項技術是怎樣發(fā)明的?也是因為人類發(fā)現(xiàn)了切割磁力線可以產生電這樣的現(xiàn)象，從摩擦生電的現(xiàn)象逐步發(fā)展出發(fā)電機，電燈等，構建起我們整個電力系統(tǒng)。所以說這是為什么說到了1888年我們才有了風力發(fā)電機。風力發(fā)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(fā)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(fā)電機，發(fā)電機又是利用了切割磁力線會產生電這樣的現(xiàn)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(xiàn)象。兩個現(xiàn)象然后發(fā)明了葉輪技術和發(fā)電機的技術組合到一塊，產生了風力發(fā)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(fā)明了風力發(fā)電的技術，出現(xiàn)了第一臺風力發(fā)電機組，但是整個二十世紀前五六十年，基本上風力發(fā)電的發(fā)展還是非常緩慢，為什么呢?因為在這個時期，人類發(fā)現(xiàn)了石油，然后還有特斯拉的交流發(fā)電系統(tǒng)，可以集中供電，用煤和燃油發(fā)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(fā)電這種技術就沒有需求。

　　所以說需求是推動創(chuàng)新和技術發(fā)展的最主要推動力，因為技術是實現(xiàn)人類目的這種手段，風力發(fā)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(fā)電技術，比風電更經濟，更可靠，更容易獲得，所以風力發(fā)電技術就沒有發(fā)展起來。

　　但是到了第二次世界大戰(zhàn)，1942年，丹麥發(fā)明了現(xiàn)代意義上叫“丹麥式結構”的風力發(fā)電機組，就是一個塔筒，三個葉輪，然后驅動發(fā)電機旋轉，就是我這個圖上的第一臺現(xiàn)代風電機組結構的雛形，從1942年這樣的結構形式發(fā)明之后，就已經演化成現(xiàn)在的風力發(fā)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(fā)展優(yōu)勢的。

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

　　到了1973年，發(fā)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(yōu)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(fā)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(yè)，到后來開發(fā)了更先進的多體動力學分析的軟件，使我們的風力發(fā)電機組現(xiàn)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(yè)化的CFD軟件也得到了普遍的應用。這個軟件使我們在開發(fā)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(fā)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(fā)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(yè)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(fā)更有效，效率更好，發(fā)電量更高。

　　早在上世紀30年代，環(huán)氧樹脂和玻璃纖維開始大規(guī)模的開發(fā)和應用，當然，這些玻璃纖維和環(huán)氧樹脂首先也是在其他行業(yè)得到應用的，這得益于化工技術不斷的發(fā)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(xiàn)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(huán)氧樹脂，沒有玻璃纖維增強材料等技術的引入到風電行業(yè)，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(yè)，計算機IT技術它的仿真模擬被組合到風電行業(yè)，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(xiàn)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(yè)。

　　總之方方面面眾多技術組合成就了今日風電的行業(yè)。

　　按這條路徑思考，未來我們風電還有哪些方面發(fā)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)在很多的企業(yè)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(yè)，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(xiàn)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(tài)監(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)象的運用，組合了方方面面的技術，是其他行業(yè)技術的發(fā)展，促進了風電行業(yè)的發(fā)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(chuàng)造自己!而且風電行業(yè)自身努力之外，我們很多關鍵性性技術需要靠其他行業(yè)：化工行業(yè)、航空航天行業(yè)、計算機行業(yè)等理論去解決，尤其是基礎研究與創(chuàng)新，是行業(yè)技術進步的關鍵。

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

　　那我們怎么獲得先進的技術，就要去發(fā)現(xiàn)更多的現(xiàn)象，技術發(fā)展今天很多我們憑經驗，憑這個直覺可以利用的現(xiàn)象已經基本發(fā)現(xiàn)差不多了，但是很多現(xiàn)象是需要科學知識，需要科學工具去支持才能發(fā)現(xiàn)的，像量子、原子等技術，需要更深入的研究才能發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象，才能利用這些現(xiàn)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(xiàn)在要實現(xiàn)雙碳目標，實現(xiàn)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(yè)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