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西門子風力發(fā)電集團業(yè)績卓著，稱雄全球市場的海上風力發(fā)電機只是其中一個例子。在丹麥，西門子風電公司運用*的一次成型工藝，生產(chǎn)出長達 52 米的葉片。同時，該公司還生產(chǎn)全球容量最大（高達3.6兆瓦）的量產(chǎn)化風力發(fā)電機。

成品葉片準備啟運

烏云沉沉，寒風冽冽，北海之上，波濤滾滾。對大部分人而言，這樣的天氣再糟糕不過。不過，對西門子發(fā)電集團 (PG) 風電公司葉片研發(fā)主管 Claus Burchardt 先生來說，這卻是的天氣。他說：“在我們看來，狂風才是好天氣。沒有狂風，我們上哪兒去找客戶呢？”

此時此刻，Burchardt先生并不是站在海邊，而是坐在丹麥第三大城市奧爾堡市郊一間不大的辦公室里。西門子風電公司擁有員工 5,500 人，Burchardt 與他們齊心協(xié)力，建造大型風力發(fā)電設備，每臺風力發(fā)電機生產(chǎn)的電力能夠在30秒內(nèi)將滿滿一浴缸的冰水燒沸。其實，這樣一臺風力發(fā)電機的個別組件體積非常龐大，出于運輸考慮，有些部件在遠離丹麥的地方制造。例如于2007年9月在美國愛荷華州麥迪遜堡落成開工的一個新的葉片工廠。在工廠選址問題上，當?shù)氐幕A設施也起著至關重要的作用。比如，之所以將廠址選在奧爾堡，是因為此處毗鄰海港，碼頭*有能力運輸長度超過 50 米的大型葉片。

新的葉片正在制造中（右圖）。在這里，大型模具正在從制成葉片（左）上移除（中圖）。

Burchardt說：“在奧爾堡，我們生產(chǎn)的葉片有些甚至重達16 噸，那么如何確保全部產(chǎn)品能夠達到較高精度，使其性能達到我們的既定要求，在20年的壽命周期內(nèi)能夠可靠運行，而無需進行更換和調(diào)整，是一個巨大的挑戰(zhàn)。”為實現(xiàn)這一目標，這些葉片——盡管它們外形巨大，強度很高，必須具備*的流線外形，即使最小的角度也要精確計算。而重中之重則是，產(chǎn)品一定要能經(jīng)久耐用。之所以提出這個要求，是因為大多數(shù)葉片將用于海上風電場，而海上風電場的維修和更換成本非常高。Burchardt先生介紹說：“制造商在海上對葉片進行維修的費用比岸上高出近十倍。通常情況下，風力以每秒 10 米的速度“沖擊”輪機，也就是說每秒鐘有 100 噸空氣穿過葉片。因此，葉片必須結(jié)實耐用！”

面對上述極為苛刻的生產(chǎn)要求，很多制造商望而卻步，紛紛放棄海上風力發(fā)電機生產(chǎn)。然而，西門子卻逐步發(fā)展成為全球有經(jīng)驗的、同時也是容量最大的海上風力發(fā)電機供應商。

葉片烘烤。在長約 250 米的奧爾堡設備生產(chǎn)大廳里，放置著許多巨大的葉片狀模具，它們就像烤蛋糕用的平底鍋，有的在地板上排開，有的則從天花板上吊下來。大廳內(nèi)沒有一絲化學材料的氣味，絕大部分工人也不必穿戴特殊防護服。Burchardt說：“幾年之前，我們開發(fā)出一種新工藝，將葉片作為一個整體進行加工。這種整體葉片工藝，或者叫一次成型工藝，讓我們告別了粘合劑。這樣，工人們再也不用擔心有毒氣體的侵襲。同時，車間里再也無需堆滿雜亂的零部件，最終產(chǎn)品葉片采用一個鑄模生產(chǎn)，葉片上不會有任何接縫，相比于其他葉片，它的強度得以大大提高。”

在大廳的另一端，Burchardt 在一件葉片模具前停了下來。一位員工正在往模具里添加一段一段看似白色織品的東西。這種材料好像精心編織的地毯，但手感卻像是塑料。Burchardt 解釋道：“這是玻璃纖維。一旦在其中注入環(huán)氧樹脂，就會變成纖維增強塑料復合材料。和競爭對手的產(chǎn)品相比，我們的葉片中不含任何聚氯乙烯和二惡英。這意味著什么呢？20年的使用壽命過后，你*不必為葉片的處置而發(fā)愁，因為它是用可循環(huán)利用的玻璃纖維制成的。”

使用一項已獲的工藝，葉片作為一個整體進行烘烤，上面沒有一個接縫。

這么不起眼的材料，竟能使葉片如此結(jié)實？Burchardt說：“模具里填充了一層一層的玻璃纖維。45 米長的葉片里就有 7 噸玻璃纖維，而 52 米長的葉片里更是填充了 12 噸。為提高葉片硬度，我們還在每兩層纖維之間加入一層木頭。”他向我們展示了模具中的玻璃纖維和木料，一層一層排得十分整齊。他接著說：“葉片的另一面是用同樣的材料制成的，兩個部分最后會組成一體。在組裝時，我們不使用粘合劑，而是在葉片內(nèi)部裝入許多充氣的袋子，然后注入數(shù)噸液態(tài)環(huán)氧樹脂。這些液體可以在袋子和玻璃纖維之間的空隙自由流動，從而成功實現(xiàn)葉片兩個部分的結(jié)合。最后一道工序是將整個葉片在 70 °C 的溫度下烘烤 8 個小時。”

正說著，只見一個模具從頂棚緩緩降下，將一只葉片的兩面裝配在一起，上面沒有一個接縫。直到這時，模具后面那巨大設備的形狀才清晰起來。在閉合狀態(tài)下，模具的作用就像是配有烤箱的烤蛋糕平底鍋，注入環(huán)氧樹脂之后，模具受熱將葉片烘烤成一個結(jié)實的整體。而葉片內(nèi)部的充氣袋不受熱量的影響，可以起到支撐作用，從而保證葉片在生產(chǎn)過程中不致受損。“使用這種工藝，整個葉片的加工，從*步到最后一步只需短短 48 個小時，不像以往那樣動輒需要好幾天時間。”Burchardt 自豪地說，“*天，填充玻璃纖維，第二天，注入環(huán)氧樹脂并烘烤。完成之后，進行葉片調(diào)試，最后涂成白色。整個工序既需要高科技的幫助，也離不開工人嫻熟的技能，每個葉片都是這二者的*結(jié)晶。”葉片成品出廠后，通過卡車或輪船，運至世界各地的客戶，其中包括遠在美國和日本的客戶。

振動試驗結(jié)果滿意。產(chǎn)品交付之前，葉片樣品要通過一系列靜載和動載試驗。首先，它們要接受相當于其最大工作負荷 1.3 倍的負荷的考驗。接著，為模擬 20 年材料疲勞期，它們將被置于一種特制的試驗臺上，使其振動約 200 萬次，最后，再用靜載試驗對其耐力進行測試。

海上安裝之前（下圖），Henrik Stiesdal（右圖）要確保一切正常，包括風力發(fā)電機組裝（中圖）和最終的耐久性試驗（左圖）。

在奧爾堡以南約 150 公里外，有一座擁有6,000 居民的小鎮(zhèn) Brande。小鎮(zhèn)上，有2,700 名西門子員工在生產(chǎn)風電裝置的核心部分：輪艙（外罩）。行走在丹麥鄉(xiāng)村，穿過田野，越過農(nóng)場，看到一臺臺風力發(fā)電機，我不禁要問，丹麥擁有多達 3,500臺風力發(fā)電機，為什么最大的風電裝置生產(chǎn)商都集中在這里呢？

“這是有歷史淵源的。” 設在Brande的西門子風電公司*技術官 Henrik Stiesdal 說道，“它始于 1973 至 1974 年的能源危機。當時，為減少對石油的依賴，丹麥探討了修建核電站的可行性。結(jié)果，一批才華出眾的工程師設計出了*臺風力發(fā)電機。二十世紀八十年代中期，很多國家開始對風力發(fā)電實施稅收鼓勵政策，使之成為一個收益頗豐的產(chǎn)業(yè)。而丹麥以其*的技術，是擁有制造性能的風力發(fā)電機的專業(yè)技術和知識的國家。自那時起，丹麥的風電產(chǎn)業(yè)一直持續(xù)繁榮至今。”

盡管窗外天氣不錯——當然，是從丹麥人的視角來看，不過 Stiesdal 顯然還是更喜歡待在自己舒適的辦公室里。他從抽屜里取出一張風能技術年表放在桌上。“二十世紀八十年代初期，我們生產(chǎn)了*臺風力發(fā)電機，那時，它的發(fā)電量只有 22 千瓦。此后大約每過四年，我們產(chǎn)品的容量就能增加一倍。而設備發(fā)電量可達 2.3 兆瓦和 3.6 兆瓦，比起當初又何止百倍。即使目前，小型風電設備仍占我們業(yè)務的80%左右。”

Stiesdal指著一幅大型歐洲地圖說：“最近我們完成了世界上最大的海上風電項目之一——英國的Lynn和Inner Dowsing 風電場。該項目包括位于林肯郡海岸Skegness以東約5公里處的兩個毗鄰的風電場。目前它們的總裝機容量已達194兆瓦，預計提供的電能可滿足13萬以上家庭住戶每年的用電需求。”

*臺風力發(fā)電機的裝機容量為 22 千瓦，還不到今天的百分之一。

言談之間Stiesdal的雙眸熠熠放光。“到2009年10月，西門子在全球各地安裝的風力發(fā)電機的數(shù)量已經(jīng)超過8,100臺，總裝機容量約為9,600兆瓦。這足夠生產(chǎn)250億度電能——約占丹麥總用電量（約360億度電）的70%。例如，我們位于丹麥第四大海島洛蘭島南海岸的165兆瓦Nysted海上風電場生產(chǎn)的電力，足以滿足我的家鄉(xiāng)歐登塞及其185,000位居民的用電需求，包括家庭、工廠、街道照明用電。”說完，他走進了一個生產(chǎn)輪機的大廳。

500 噸的龐然大物。在我們眼前，排列著一個個巨型金屬艙，每個艙內(nèi)裝有一臺 2.3 兆瓦的發(fā)電機。我們走到一臺圓形艙的跟前。輪艙的兩端都是打開的，可以看到其內(nèi)部構(gòu)造。“現(xiàn)在我們面前的是驅(qū)動軸，轉(zhuǎn)子和三只葉片從外部安裝到這個軸上。海上風電場的輪機是在海上安裝的。

塔架的裝配是在岸上完成的。運載塔架、輪艙和葉片時，我們使用一艘特制的裝有起重機的輪船到達海上作業(yè)點。不到一天，就可完成一臺重達 500噸的輪機的安裝。轉(zhuǎn)子一旦開始運轉(zhuǎn)，其機械運動由傳動軸傳輸?shù)絺鲃訂卧?。傳動單元再依風力大小，將轉(zhuǎn)矩輸送到發(fā)電機，最后產(chǎn)出電能。”

Stiesdal業(yè)余時間喜歡航海。他指出，這種功率級的系統(tǒng)需要的不僅僅是機械部件。“今天，生產(chǎn)這樣一臺2.3 兆瓦的輪機，需要多種級別的處理器和電子裝置?？此埔兹绶凑疲扇绻阆脒M一步了解它，就會愈加體會到它的復雜性。”這一點尤其適用于其產(chǎn)品 3.6 兆瓦輪機。在揭開這個龐然大物的廬山真面目之前，要經(jīng)過堆放區(qū)。那里就像是兒童的玩具箱，風力發(fā)電機所需的所有零部件都整齊地堆放著，等待著安裝。堆放區(qū)的左側(cè)，是巨型的鋼制前段錐體，將用于裝飾輪機外罩；中間是機械艙；右側(cè)是大型轉(zhuǎn)軸，每個重約35 噸。奧爾堡出產(chǎn)的葉片直接運送至安裝場地。塔架高達 120 米，其部件來自于丹麥、德國、美國、韓國等地的外部供應商，具體取決于風電場的位置。

進入生產(chǎn)大廳，一眼就能看到 3.6 兆瓦輪機的白色輪艙。與它的“小兄弟們”不同的是，其外形棱角分明，體積也比它們大，長 13米、寬 4 米、高 4 米。爬上梯子才能看清其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部分為兩層，里邊布滿各種器械，好似一座小房子。“這臺輪機里的器械比其他輪機的要大一些。”Stiesdal輕描淡寫地說道，“不過，我們正在研制更大的產(chǎn)品。我可以告訴你，不久之后，就可以在我們的輪機上看到超過60 米長的葉片。” Sebastian Webel