风电发展之路

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  在全世界都在努力开发新能源的今天,丹麦人成功地走出了一条清洁无污染的能源之路。
  
  北海是个强风肆虐的地方。丹麦西海岸的艾斯比格港口外,年平均风速达到9.7米,秒,丹麦历史上的最高风速记录58.3米,秒,也发生在这里。现在,世界最大的海上风电工程,正在这里实施,因为在15公里以外的海域,有一片浅水礁脉,加上强风条件,正是建造海上风电场最理想的地方。
  港口外,正在日夜不停地组装着80座2兆瓦的风机,这种大型风机,每台可以保证1800个丹麦家庭的全年用电。如果和那些上百年历史的老风车、靠风力加工粮食的老磨坊、锯木厂相比较,2兆瓦的风力涡轮发电机可说是电力时代的巨无霸。这两者之间有一个划时代的区别,那就是:风力能否从机械力变为电力。
  约汉尼·休是现代风力发电机之父。他的老师拉库尔,在19世纪末就开始风电的研究。在老师去世53年后,约汉尼·休把他的理想变成了真正的现代风力发电机。
  风电的发展并非一帆风顺。因为它和石油价格的起伏捆绑在一起。20世纪70年代石油危机前,每桶2美元的超低油价持续了70年之久,支持西方世界以极低成本完成了工业革命,也在某种程度上阻碍了替代能源的发展。因此,这座世界上唯一运行了10年的风电机,在1967年需要修理时,干脆被人们遗弃了。但在石油危机爆发后,美国能源部突然发现了它的价值,不仅出钱维修,并派人进行全面测试,发现它具备效能最佳的风力发电技术配置。
  但是,随着石油危机的过去,大国和大企业对于风电的热情也随之消失。但是,风电塔没被所有的人忘却。
  2002年夏天,豪斯雷夫风电项目进入海上作业阶段,海上浮吊船开进了风机的打桩区域,并在基桩周围下伸四个固定锚桩,固定住浮吊船。如何将60米高的风机塔分成两截吊装起来,并且严丝合缝,这是一项挑战。浮吊船上每次装载的涡轮主机,只能预装两只风翼,最后一只风翼要等待主机安装完成之后再补装。
  承担这一工程的巨大责任风险,是维斯塔斯风电公司的创始人——老铁匠汉斯不能想象的。
  1898年,22岁的汉斯在林姆小镇下了火车,开了间铁匠铺,后来制造小型吊车、制冷机和农业机械。直到70年后他的孙子费恩一代,才聘用一位工程师,提出试制风力发电机的计划。然而,第一只风机——按照法国达尼厄垂直轴样式制造出来的样机,被员工戏称为“奶油搅拌机”,以失败告终。
  听说有两个年轻人组装了一架风机,但没钱继续制造了。费恩和工程师便跑去看,觉得还不错。经过谈判买下了授权,开始自己试制。不过在当时,一切只能在秘密状态下进行,因为他们担心受到客户的嘲笑。
  他们在拉上帘布的自家车间里,凭着农业机械制造的经验生产风力发电机,但风机的旋翼到哪里去找,还没有头绪。
  此时,1970年代的丹麦反核运动正风起云涌,由年轻人组织的“风电联盟”开始试制玻璃钢材料的风翼,但是屡屡失败。一个年轻的化学工程师艾里克,掏钱买下了不成功的模具。5个月后,新型的风翼制成了,但没有销路。于是,他把产品塞进自己的汽车里,四处寻找买主。费恩听说后,双方一拍即合,一批装上“翅膀”的风机就此诞生,并且幸运地赶上了第二次石油危机。客户开始找上门来,但是危机也接踵而来。
  一天,销售经理约娜正向客户推销风电设备,只听外面的大风一阵强过一阵,就像直升飞机在头顶吼叫。
  费恩从会议室把约娜喊出来,悄悄告诉她:糟糕了,风机失控了!
  约娜回到客户面前,装着什么也没发生,但是声音越来越不对劲了,他们跑出去一看,脸色都变了。其中一个风机已经失控,像根麦草在风中抖动。
  不知凭什么本事,约娜居然说服客户买下四台风机。但不久,情况越发严重,不止一台风机的旋翼折断,整个飞了出去,庆幸的是没伤着人。
  前维斯塔斯总经理费恩-汉森回忆道,风翼是从根部折断的,而根部是连接在旋转轮上的。情况如此严重,我们必须把所有风机都停下来,直到找到原因为止。
  经过一年的努力,问题仍旧没有解决。他们没有意识到一个重大差别:农业机械每年只用200小时一300小时,而风机每年要运转6000小时~7000小时,并持续20年之久。费恩只好全额向客户退款,留下这批废品风机。但是,认输不是汉森家族的性格。再三考虑之后,他们作出重大决定:继续试制风机,并且自己做风翼。
  就在汉森父子加紧研制风机的叶片以抵御强风袭击的时候,一位木匠也想开始试自己的手艺。他没有理论,但是有直觉经验。
  他先用木头做了几根半米长的风翼,带动直流发电机点亮了灯泡,发电达到了6瓦。他大受鼓舞,干脆做了5米长的风翼,搭建了一个真正可以发电的大家伙。
  有一天风挺大,他把风电机架起来,连到了380伏的电网上,开动了风机,运转得很好,电表居然反着转了。再开电灯,果真亮了。
  木匠的“违法试验”持续了三天,他问邻居们电路有什么异常没有,都说很正常。即使这样,他还是没胆量再干下去了,害怕弄出什么事故来。
  电力公司的经理当然不敢贸然批准木匠的要求,怕这个先例一开,电网的稳定无法保障。不过,木匠和电网的故事,很快被媒体传播开来,木匠家的风机每年发电除自己使用外,还有富余,他甚至卖掉了两个自己制作的风机。
  经过两次石油危机的冲击,丹麦政府在1970年代成立了能源署,加大支持风力发电的力度,对风电建设给予30%的补贴,并逐步消除民间风电入网的障碍。1981年风力发电的成本每度12克郎,到1999年下降到每度电0.3克郎。同年,丹麦生产的风机总容量达到1800兆瓦,相当于两座大型核电站的发电量。核电与风电的方向之争,在丹麦有了举国一致的结论。
  但是,真正给丹麦风电行业带来增长机遇的,是美国的巨大需求。
  1982年,在丹麦这个小市场艰难打拼的维斯塔斯,派工程师到美国寻求机会。出发前他对工程师说,拿不到订单你们别回来了。在丹麦,他们一年能卖出30个风机就不错了。而在美国,与一个客户谈了3小时,就敲定了166个风机的大订单。
  美国的风电狂热开始了。丹麦企业全力以赴,成倍地扩大生产规模,员工增添了三倍,生产线三班倒。在大洋彼岸,一片又一片的风电场在荒凉的山脉中呈现一派壮观景象。1983年,向美国交货155台,第二年交货550台。这得益于美国,尤其是加州政府高达70%的退税政策。但是,这项政策也有苛刻的条件,要求全部风机必须在1985年新年的午夜前安装完毕,超过一个小时都无法享受退税优惠。
  一切必须为速度让路。确定一个风电场的位置,需要有当地一年四季风况的完整记录和分析,但是现在时间紧迫,只能匆忙开工,这为后来的工作埋下了隐患。
  在丹麦。不计代价地赶工期,甚至租用运输机空运零部件以争取时间。但是,当最 后一批80套风机设备按时装运上船后,情况突然发生变化。这批风机在大西洋上航行的时候,船运公司突然宣告破产,货船只得在洛杉矶港口抛锚等候。
  码头不允许卸货,错过了交货期,只是一个退货的理由。加上之前的风电场没有选好位置,运营效果不佳,美国客户拒绝执行合同。更糟糕的是,刚上任的丹麦能源部长制定了一项新政策,把风电的政府补贴从30%降低到15%。三重打击之下,维斯塔斯从巅峰跌落,负债1亿克朗,宣告破产。按照接手公司投资人提出的条件,汉森家族和最初研发风机的工程师离开了公司。
  风电发展之路,注定充满波折和坎坷。20多年后,当人们再度寻找那些曾经冲锋陷阵的风电先锋时,他们都已隐没在不为人知的角落。
  老汉森的孙子费恩远走他乡去了美国;木匠雷瑟格回家重操他的木匠手艺;当初到处推销风翼的艾里克,如今在回收废弃的风翼;而维斯塔斯的元老工程师麦德森,则回家开了一间小咨询所。
  然而,所有的挫折、失败和努力,都没有白白付出。正是在这20多年的时间里,丹麦成为全球风电市场的领跑者,1999年风电设备的营业额占全球的一半。
  今天,一个2兆瓦的风力发电机,发电量抵得上135个20年前的风机。而目前最大的风力发电机已达到5兆瓦,能够满足6000个家庭的用电量。
  最大的挑战,来自风的本身,这是人无法制造的自然界力量。
  在一个无风的天气里,所有的风机都停止了转动。这是风机的建造者和拥有者都不愿见到的“零”发电状态。但是,人们最担心的还不是无风,而是大风。
  当风机的风翼以过高速度转动时,就表明它已经失控。监控摄像头拍下的惊人情景,表明风决不是一种容易驾驭的能量。
  风翼工程师艾里克说,我们制造出10套5米长的大风翼,真是兴高采烈。但1978年9月2日刮来一场风暴,卡尔的一只风机开始失控,刹车失灵,转速达到每分钟500转,导致风翼解体,远远地甩了出去,太危险了。两周之后又一个风机毁坏了。从那以后,夜里只要一刮大风我就睡不着觉。
  但是,如果没有一次次失败所积累的经验,人类对于风能的利用绝对无法达到今天的成就。
  一个秋季的夜间,一列超大型的车队穿过国境,行驶在德国E45号高速公路上。这是运载V90风机的车队,每套重量379吨。44米长的巨型风翼,需要用10辆特种卡车接成“长龙阵”。但他们没想到,最大的拦路虎并非超大部件的运输,而是风。
  按照德国法律,每个风机运输安装的时间必须限制在2天之内。但是不幸,他们遇上了大风,按安装规定风速不能超过10米/每秒,但此刻已达到15米/秒,只能等待。到了下午,风速仍有11米/秒,而后续的车队已不容积压等候,于是吊车机师决定顶风开工。经过紧张操作,3座基架才在大风中顺利竖立起来。
  气候和风力,是风力发电技术研发的不可预知因素。
  在世界风能资源的分布图上,深蓝色代表风力最大区域,显示10年间全球平均风速的差异分布,但具体到一个时间、一个地点,风况又是千差万别的。
  维斯塔斯副总裁拉斯·克里斯坦森说,如果我们能预见20年之后的风势情况,设计风机就会容易得多,我们会知道风翼需要的尺寸、塔架的高度、产生的电力等。但我们没有上帝的力量,无法控制气候,无法控制能产生多少电力、风机会承受多少压力,因此在设计上要留有一定的空间。
  当豪斯雷夫的80座海上风机进人最后调试阶段,并遭遇大风的时候,工程师就不能乘船靠近机塔,而必须用直升机吊送到工作平台上。
  此刻,风机的核心主体内,几百个传感器已经开始工作,不间断地将风速、水压、各部件的温度、电压、传动速度等,传送到控制中心。而不管风机是坐落在世界的哪一个国家,哪怕在天涯海角,都在智能化信息系统的监控之下。
  当80个2兆瓦的风机开始转动,所产生的电力就通过海底电缆,传送到电力传输平台,这个平台通过20公里长的电缆,将电力源源不断输送人陆地的电网。但是,当大量风电进入电网后,又一个问题发生了:在没有风的天气,或是刮大风的时候,电网能够承受供电量的巨大波动吗?
  丹麦能源网副总裁皮特·约根森认为,最大的挑战是整个电力系统的平衡。因为风力发电很不稳定,只能部分地预测何时有风,能产生多大电力。为了电力系统平衡,需要有某种蓄电能力,当风力增长或减弱时,可以随时存取保持平衡。
  在丹麦电网的主干图上,丹麦电网与北面的挪威、东面的瑞典及南边的德国连接,形成一个区域电网。调节电力的“蓄电池”就是挪威的大量水库。当丹麦风力下降时,挪威就放开水库闸门加大发电量,给丹麦送电,反之,也可以从丹麦买电。
  但是令人想不到的是。每个小时随时波动的价格,是由风来决定的。
  丹麦能源网副总裁皮特-约根森说,预测几小时后的风力还是容易做到的,但是在北欧电力市场上,电力交易要提前36个小时下单。交易只能按照当时所掌握的风力预报。
  风力预报难在何处?气象学家说,丹麦的强风带主要在西海岸,风从北海海面吹来,走向不难预测,但预计前锋到达的准确时间,可能会有几小时的差异。
  所有这些风力预报和电力交易,都需要高度专业的操作。但是,当田野上四处转动的风机成为丹麦一大景观的时候,并不是所有人都举手欢迎。
  首先,很多人说风电虽然好,但别装在我家后院。因为他们觉得风机会发出嗡嗡的噪音,在地面投下的影子也会干扰视觉。
  在风力发电场区域内,该如何应对生态保护的需要?
  生物学家彼得森不是职业飞行员,他在飞行基地的工作,是观测记录各种鸟类的数量,在海上风电场建设之前、建设当中及建成之后的变化。由于大量鸟类在附近海域生存,他受到国家环境调查局的委托,评估风电工程对生态环境造成的影响。
  巨大的塔基钢管每根重达200吨,当它们被汽锤垂直打人海底的时候,造成的冲击力是极其强大的。在打桩之前,必须先把一个特殊装置放人水中。这是一个超音频发射器,它在水中发出特殊声波,向海洋动物特别是海豹发出警告,将它们驱赶到远处,避免受到汽锤声音的震荡而被伤害。
  必须承认,每当我们向自然界索取新能源时,不可避免地会对环境产生一定的影响。但是,与大量燃烧石油和煤炭相比,风能是完全清洁的能源,是地球上取之不尽、尚未充分利用的宝藏。
  陈哲教授来自中国,专门到丹麦从事风电研究。
  他说,丹麦在风力发电方面有悠久的历史。很大比例的供电是风力发电,现在达到20%,计划在2025年时达到50%。
  这是丹麦人30年的坚韧努力获得的进步,也是其它国家可以借鉴并追赶的速度。
  但是,风能的利用仍然面临巨大挑战。
  奥尔堡大学能源学院院长弗莱得·布拉博格说,我们面临很大的挑战,就是特大容量的能源储存技术,这样我们才能保存风能。我们应当尽最大可能投资于石油的替代能源,因为我们已经使用100年的石油了,并且即将在未来的100年里把石油用光,那时我们的后代该怎么办?
  石油枯竭的那一天终究会到来,我们无需为此悲观,因为到那个时候,太阳与风都会与我们同在。
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