秦海岩：从技术的本质谈风电的起源、今生和未来

　　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