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IT技术让风力发电更智能

来源: 作者: 时间:2014-09-15【字号:

       不同行业的技术互相交流往往会诞生新的创新,西门子风电就正在利用消费电子行业的最热门产品。
       在美国佛罗里达奥兰多的风电培训中心,来自全球的风电培训学员除了正常的使用、维修、安装等技能之外,还需要学习的一种技能是使用iPad。这对于安全和便捷的工作非常重要。
       无论北欧、美国还是中国的沿海和内陆地区,爬上80米以上的高空作业都是一件充满危险的事情—风力不仅能驱动风机叶片,也能给工作人员造成很大麻烦。而在使用iPad之前,西门子的技术人员除了需要捆上保证安全的绳索,携带必需的工具,还需要随身携带风机的电路图以及服务手册等资料—不是简单的几页纸,而是超过1000页的资料。而如果情况复杂的话,他们还需要使用到笔记本电脑等更多设备。这些在空中都会成为额外的负担,也容易造成麻烦。
       iPad除了能够将所有的资料都储存在其中,拍照、录像以及3G或4G网络也能够让维修人员很方便地与地面同事甚至指挥中心进行联络,确定问题所在,加快整体检修的速度。早在2011年,西门子风电就已经注意到了移动智能设备的快速普及趋势,在内部开始定制应用,并且首先在美国公司进行了测试,现在西门子在工业领域有多个App在苹果应用商店和Google Play中上线。西门子风电对于iPad的使用也被苹果公司拍摄成视频放在苹果官网上,成为使用新工具和技术的典型大公司案例,苹果也在争夺企业级市场。
       更大的叶片同样能够产生更多的电力。
       “我们最大的风力发电机叶片几乎已经和空客A380的翼展一样长。”2014年6月13日,在西门子位于美国佛罗里达奥兰多的风电培训中心,西门子美洲风电首席执行官Mark Albenze指着白色幕布上的对比图例对媒体说。按照比例缩放之后,A380—全球载客量最高的飞机更像是风力发电机上的一只玩具纸飞机。
       虽然页岩气已经极大地改变了美国能源的消费结构,但是美国总统奥巴马在6月还是提出了一项以能源法案为核心的气候变化议程,要求到2030年美国所有发电厂的碳排放量减少30%。在这份议程中奥巴马呼吁各州提高能源效率,发展风能和太阳能的应用。
       对于西门子公司来说,2013年下半年在美国市场收获颇丰。12月,它获得来自巴菲特旗下中美能源控股公司的448台风力发电机订单,总装机容量为1050兆瓦。这是迄今为止全球最大的一宗单笔陆上风电订单。据风电的业内人士估算,该订单价值可能在10亿美元左右。同月,西门子又获得美国首个海上风电场项目、预估投资26亿美元的Cape Wind项目的风电机安装合同,后者建成之后将成为全球最大的海上风电场。
对于风能的开发和利用来说,更强大的风电产品、软件和数据的应用以及完备的配套服务是提高发电量和保护环境的最大保证。
       对于风力发电来说,无论在海上还是陆地,更长的叶片总能带来更高的发电效率。同时,对于IT软硬件和iPad的使用又能让后续的运营、维修和保养更为安全、简便。
       Mark Albenze所说的最长风机叶片是指“B75”。其叶轮直径是154米(2倍叶片长度加机舱直径),A380的翼展为79.8米—与单个叶片的长度相差无几,而更长则意味着更高的发电能力和效率。
       早在1990年代,西门子的工程师就提出了一个大胆的构想:设计一种柔性叶片,使其在空气剧烈波动或狂风暴雨时可以灵活甩掉无用载荷。由于应力降低,这种叶片的使用寿命得以延长,并且可以让风力发电机采用直径更大的转子,从而最终提高发电量。
       最终,这项研发任务落在了美国科罗拉多州博尔德西门子研发中心的一支30人的团队身上。创建于2008年的研发中心对项目团队给予了不同形式的支持,其中包括创新的模拟软件和各类专家资源。“在当时,这种创新的转子技术对于西门子而言是完全陌生的,”博尔德西门子研发中心负责人Andy Paliszewski介绍道,“但是它能降低风力发电的成本。”
       项目组敲定了设计53米长的转子叶片的可行性,这个叶片被命名为气动裁剪叶片(ATB)。这种叶片呈弯曲状,形似阿拉伯半月弯刀,在风力的作用下可以变形扭转。因此,它可以减轻转子、机舱、塔架和塔基的应力载荷。此外,ATB设计为制造更长的转子叶片从而提升发电量创造了条件。
       风力发电机越来越高,转子直径远远超过100米的巨型白色风塔已不足为奇。另外,西门子首款融合部分ATB技术元素的叶片设计造就了“B75”。这款全球最长的叶片是专为西门子最重要的产品之一—6兆瓦直驱风机而制造的。
       与IT领域的结合也会极大地提高风电效率,比如用软件来调节风机上的风力,以使风机在其20年的使用寿命中可以始终在零损耗的状态下运转。
       无论外行如何认为,实际上风机上的转子不宜始终全速运转,因为这样会使其部件的磨损快于预期。正是基于这一原因,西门子才在轮毂上安装了用于监测叶片负荷的传感器。西门子研发的软件利用传感器的测量数据来确定风机在任何特定时间所承受的应力负荷,并将该值与理想的应力数据进行比较。根据偏差的幅度大小,软件可能会临时性减少风机的发电量。“对于电力公司来说,更重要的不是始终追求最大化的产量,甚至无视条件的恶劣,而是风机能够尽可能地维持更长的工作发电寿命。”相关研发人员介绍道。
       西门子还研发出一种监测程序,该程序通过利用传感器测量机舱内的振动频率来及早洞察旋翼叶片的损耗,以频率模式反映叶片状况。
当检测到频率模式发生变化时,该软件会发出警报音。然后技术人员可以分析是否有必要进行维修,如果需要维修,还需要判断为避免其他部件受损,应该先维修哪些部件。由于转子不应停下太久,所以维修工作必须尽快执行。西门子风机由西门子的3个全球风电控制中心进行监测,这3个中心分别设在丹麦的布兰德、德国的不来梅和英国的纽卡斯尔。这些控制中心还负责管理软件安装和更新,它们通过互联网可以将软件和更新发送至受其监测的4000台风机。
       无人机、大数据、移动智能设备等最新的技术成果都已经在西门子风电设备上得以应用,这会让人类对于风电的控制变得得心应手。(来自《第一财经周刊》