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风力发电厂真能满足能源需求吗？ |
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| http://cn.newmaker.com
5/30/2012 2:45:00 PM
电子系统设计
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1978年10月，我的父亲曾经带我去了伊利诺伊州西塞罗市霍桑工厂的西部电气公司(Western Electric)参加开放参观活动。霍桑工厂是全球科技、电子和电信领域的顶级设计、开发和制造工厂。该工厂以其整体垂直整合管理而闻名。
霍桑工厂有自己的铁路货场、酒店、医院、警察部门、选美比赛、消防部门、体育馆、乐队、代工厂、模具厂、造纸厂、印刷机和发电厂(有足够的余量，可将电力销售给公用事业公司)。该工厂引进的是原材料，产出的是可提供90年不受限质量保证的开关设备和电话，我当时参观时全球铜丝使用量的三分之二也来自这家工厂。
这是一个相当了不得的陈述。我们看到的也是蔚为壮观的场景。那次活动的主题是“霍桑西部电气：它的生活和人民。”当时我还是一个小孩子，我记得走在大厅里，一边听着乐队演奏的音乐，一边观看已使用10年的五轴CNC机床生产裸片和复杂部件的情景——时间是在1978年。
我记得观看巨大的同轴电缆卷轴盘把不久之前还是铜矿和石油污泥的电缆绕在卷轴上的情境，一个网络分析仪与旋转的足金连接器上的集线器相连，用来跟踪缠绕电缆时产生的阻抗和回波损耗，并校正几何形状。正是这次参观给我带来了好运。我发现了我的使命。那就是电子学——电力电子技术，让这一切神奇运行的东西。
遗憾的是，霍桑西部电气现在已经不存在了。当法官Harold H. Green在上世纪80年代初一锤定音，因垄断而终结了“贝尔系统”的时候，它就已经全部解散了。如今，霍桑工厂已经变成了一个购物中心，这简直糟糕透顶。绝大多数当年备受关注的建筑物都已经被拆毁了。
而对于霍桑西部电气来讲，更多的遗憾还不仅仅在建筑上。在这里有一种我无法表述的引人注目、坚持不懈的职业道德，一种“生活和人民”的精神。我在这种职业道德的熏陶下慢慢成长，我尝试着尽可能多地将其应用到影响电力电子学的科目上。
如今的风力发电厂
你曾经开车经过风力发电厂吗？你会看到你认为相当大相当宏伟的部件以看似缓慢但充满活力的速度移动。当你走近其中一个设备时(当然是在经过允许的情况下)，你会从一个完全不同的视角看这些东西。
在这方面，它很像霍桑西部电气。当你驱车经过霍桑西部电气时，它看起来就像一个有许多窗户的大建筑。但是当你走近那个地方，它又不仅仅只是最初的那个印象。同样，当你在风力相当的情况下站在2.1MVA风力涡轮机下的时候，那确实是一个令人惊叹的场景。
风力涡轮机上的叶片尖端不是在缓慢地移动。它们转动的时候都发出嘶嘶作响的声音。如果你靠近倾听，你会听到100万英尺磅能量听起来像是进入了齿轮箱上的行星式齿轮中。这种声音并不像SD80或Dash9滚下轨道那么大，但是由于齿轮箱是封闭的并且高达300英尺，声音往往经过传播后就相当可观了。
立即发生的另一件事件是传播。从一个风力涡轮机到另一个风力涡轮机需要比较长的时间。我们的好奇心不禁涌现，不过惊讶之情也油然而生：这些涡轮机是如何以电的方式汇集在一起然后进行分布的，它们能够提供多少输出。
在我代表国际整流器公司(International Rectifier)举办的电力研讨会上，我想回顾一下这些大型风力涡轮机，然后试着作为打破僵局的引导性介绍回答这些问题中的一部分。这不是广告，不是促销，也不是营销技巧，而是只是对这些设备如何工作以及如何满足我们的大规模电力需求的一些想法。最有意义的做法是将这些相当新的可再生能源生产设备与比较传统的发电厂进行对比，然后研究一下这些东西是怎样满足我们巨大的能源需求的。
伊利诺伊州拉萨尔县的拉萨尔发电站(隔壁就是Grand Ridge风力发电厂)占地约2800英亩，包括蜿蜒流淌的冷却湖。两个沸水反应堆(BWR)设计用来连续地产生约1700MW的总功率。这意味着这个发电厂的功率密度为每英亩600kW。这个密度相当高。不过这意味着什么呢？
让我们看一下全球的水平。据ComEd公司的一个朋友表示，全球2008年的耗电量约为139×109MWh。在这一年里，我们消耗电能的速度是1500万MW。如果我们研究一下全球的土地面积(不包括近海风力发电厂)，我们拥有约37×109英亩。如果这一面积的10%专门用来发电以满足我们生活、发展和生存之需的话，则大约有37亿英亩。我们2008年需要从该面积的土地获得的为全球供电的功率密度则约为4kW/英亩。
这里我们看一下大型风力涡轮机的情况，我们在美国中西部看到的密度近似于每50英亩一个风力涡轮机。这个密度看起来比较低。建立在这些位置的常见风力涡轮机一般都是2MW的设备。这些风力涡轮机一般来自Suzlon、Gamesa、通用电气(GE)以及多家其他公司。
这些地区的平均风速约为每小时12英里。这些风力涡轮机的风速区间会有比较小的差异，不过一般在7或8MPH左右。这是能够开始发电的风速。平均风速为12mph时，2MW的风力涡轮机可以产生约200 kW的输出功率。(该值随厂商和叶片设计的不同而略有变化。)让我们再回到功率密度的话题，美国中西部地区的大型风力发电厂的功率密度约为4kW/英亩。
为进行全面的分析，替代拉萨尔县“核能发电厂”将需要8500个上述额定平均功率的风力涡轮机。就土地而言，相比2800英亩的核能发电厂，这相当于美国中西部产量下大约425,000英亩的风力发电厂。这就有相当大的差异。
一个合理的火电发电厂的功率密度约为1MW/英亩，一个光伏电站的功率密度高达100kW/英亩左右，这些数据可供进一步考虑。水力发电大坝的功率密度可以高达4MW/英亩(河流未计算在内)，但是河流往往比较少。通过海浪捕获电力的新提案的功率密度将在风力发电厂与光伏电站的功率密度之间，在我看来约为50kW/英亩。
从第一阶段的角度来看，功率密度表明，完全使用清洁可再生能源为全球供电是可行的，不过这肯定会改变我们的风景。
其他考虑因素
但是做这些工作需要多少人工呢？我们假设需要1500人工作三年才能构建、认证和开始运转一个大型核能发电厂。我们还假设在此期间每人每周工作40小时。这样就得到总人工约为900万工时。
对于大型风力涡轮机，一个20人的团队需要整整一周(五天)的时间(假设白天全天工作或一天工作12小时)才能建立一个风力涡轮机并让其运转。这样我们就得到大型风力发电厂的每个风力涡轮机需要约1200小时的工时。此外，如果我们用8500个风力涡轮机来替代一个核能发电厂，我们就可以通过美国中西部的风电产量将构建核能发电厂的900万工时与构建等效风力涡轮机的1千万工时进行对比。就人工而言，这大概会带来一种冲击。
就各种方案的成本而言，大型发电厂(特别是核能发电厂)的初期成本是比较高的。不过这种方案的有效生命周期比较长，其维修和维护成本很低。大型风力涡轮机则有很多需要维护和更换的旋转部件。
制造大型风力涡轮机所用的齿轮箱的最大厂商Winergy交付的每一台齿轮箱都提供两年的质量保证。这些齿轮箱用在据称其可工作寿命为30年的设备中。在将近300英尺的高空中更换35,000磅的齿轮箱绝对能让拥有成本也高居不下。
实际上我已经听说过订单减少的情况，由于维护和工作成本的原因，公用事业公司开始放缓建设大型风力发电厂。考虑到这两个数据点，我从来没有听说过可运转的核能发电厂订单减少的情况。
乍一看，如果我们有那么辽阔的土地并且愿意容忍风景发生变化的话，用风力涡轮机和其他选择方案替代所有的核能发电机和火力发电站似乎是一个可行的方案。不过我认为这不可能发生，因为传统的核能发电厂相比风力发电可以从适用的土地中多产生约30dB的能量，而且还是清洁能源。
大型风力涡轮机还有高额的维护和维修成本。在将近300英尺的高空中更换齿轮箱是一项成本极高并且相当危险的工作，更不用提更换转子轴承、推力轴承、高速交流发电机、叶片马达和偏航马达了。
大型风力涡轮机确实看似是一个可行方案，目前出现的高故障率技术只会随着时间的推移而逐步改进。风力似乎是一种可以开发的优质资源，但是它是否是我们所有用电需求的一个方案，这还有待确定。
有关霍桑西部电气
如果简单地提及霍桑西部电气重新勾起了旧时的回忆或好奇心，并且你还想看看这个地方在拆毁之前的原样的话，西塞罗市牛津大学默登学院就设有一个精彩绝伦的博物馆，这个博物馆在找回那个地方的回忆和精神方面做了大量的工作。
作者：Paul Schimel
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