智能風(fēng)機(jī)是什么

本刊 | 薛辰

受訪嘉賓：劉曙源，遠(yuǎn)景能源產(chǎn)品開發(fā)工程副總裁，前美國福特汽車全球動力傳動及整車技術(shù)群首席總監(jiān)。

從哪里來到哪里去，又能創(chuàng)造哪些客戶價值，這兩個問題因為智能風(fēng)機(jī)的到來將成為行業(yè)話題。

《風(fēng)能》：遠(yuǎn)景是最早提出智能風(fēng)機(jī)概念的公司，也因此吸引了一批汽車和航空領(lǐng)域的國際頂尖研發(fā)人才。您怎么看汽車和航空工業(yè)百年積累的工業(yè)技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用以及智能風(fēng)機(jī)未來的演化？

劉曙源：我們會問，再過10年、30年，風(fēng)電機(jī)組會是什么樣子？未來不好預(yù)測，但從昨天和今天的汽車比較中不難發(fā)現(xiàn)，不管從工作原理，還是設(shè)計的概念結(jié)構(gòu)上，汽車的本質(zhì)沒變，但在其智能化水平上，今天的汽車卻有了質(zhì)的飛躍，它已搭乘了幾十甚至上百個控制單元，有上千萬行的軟件代碼在上面運行，這使得今天的汽車駕駛者不需要像幾十年前的駕駛者那樣，在學(xué)開車的同時，一定要學(xué)會修車。因為，今天的汽車給駕乘者帶來的安全和舒適體驗已和幾十年前的汽車不可同日而語。

從汽車工業(yè)的發(fā)展變化看，當(dāng)前的風(fēng)電工業(yè)水平可能類似半個世紀(jì)前的汽車工業(yè)，盡管近年來風(fēng)電機(jī)組在單機(jī)功率和掃風(fēng)面積增大方面發(fā)展迅速，但其智能化水平卻與當(dāng)年600kW－800kW的小型風(fēng)電機(jī)組相當(dāng)，并沒有顯著提升。所以，要預(yù)言未來的風(fēng)電機(jī)組演化，我們可以推斷半個世紀(jì)后其在原理和概念結(jié)構(gòu)上與今天的機(jī)組不會有本質(zhì)的不同，但其智能化演化則會呈現(xiàn)無止境的態(tài)勢。這一點，是由客戶日益增長的對風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率要求所決定的。

在一種提升效率的極致追求下，我們看到了行業(yè)不斷放大的風(fēng)輪直徑，115米和121米風(fēng)輪都已在市場出現(xiàn)，但一味單方面放大風(fēng)輪直徑真的能滿足客戶大幅提升風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的需求嗎？看看汽車的歷程，當(dāng)駕乘者追求駕駛速度和動力性能時，最直接的方法是增大發(fā)動機(jī)的排量?？墒?，人人都知道如果用30年前的化油器技術(shù)來控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)油和進(jìn)氣，即使提升到4.0的排量，所增加的輸出動力也有限，且很不經(jīng)濟(jì)。所以，今天我們看到了智能化的電子噴射技術(shù)控制的發(fā)動機(jī)和渦輪增壓的發(fā)動機(jī)，排量并不是一味的提升。相反，1.4T的發(fā)動機(jī)成為經(jīng)濟(jì)型轎車受歡迎的配置。

具體到遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)，我要提到遠(yuǎn)景全球研發(fā)團(tuán)隊中的孫博士，之前他是波音公司的翼型設(shè)計專家，他認(rèn)為從高速飛機(jī)到低速飛機(jī)的變化不僅僅是簡單增大機(jī)翼和機(jī)身的比例，而是主要依靠低速高升力翼型的設(shè)計，以及空氣動力學(xué)和智能控制的集成。低風(fēng)速機(jī)組的設(shè)計同樣如此，簡單增大葉輪直徑并非最經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計方法，適合低風(fēng)速的高升力翼型設(shè)計和智能控制的集成才是低風(fēng)速機(jī)組成功的關(guān)鍵。

遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)不僅有先進(jìn)的硬件傳感器，更有大量的軟件傳感器和在航空航天以及汽車行業(yè)成功應(yīng)用的先進(jìn)控制算法，相比傳統(tǒng)機(jī)組幾萬行的控制軟件代碼，遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)搭載的軟件系統(tǒng)代碼超過200萬行。

當(dāng)客戶在追求風(fēng)輪直徑增大來提升風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率時，因風(fēng)輪增大而急劇增加的機(jī)組安全性風(fēng)險被顯著放大。目前，葉片安裝導(dǎo)致的槳距角對零誤差還停留在過去的水平上，正負(fù)1到2度的誤差在目前的制造和安裝工藝中不可避免，這對于100米以下風(fēng)輪直徑的機(jī)組問題不大，但對直徑超過105米的風(fēng)輪，葉片不對稱所產(chǎn)生的疲勞載荷會急劇增加，遠(yuǎn)景在110米風(fēng)輪機(jī)組上做過載荷測量，1度以上的槳距角對零誤差導(dǎo)致的疲勞載荷增加已顯著超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這對其長期安全性運行帶來巨大風(fēng)險。這不難理解遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)控制軟件中僅槳距角誤差補(bǔ)償算法的軟件代碼量就超過1萬行。

《風(fēng)能》：業(yè)內(nèi)提及遠(yuǎn)景大多與低風(fēng)速技術(shù)有關(guān)，但對遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)也只是個概念。在您看來，遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速風(fēng)電場有何優(yōu)勢？

劉曙源：在我看來，與其說低風(fēng)速技術(shù)，不如說智能風(fēng)機(jī)有更高的能量可利用率更合適。低風(fēng)速風(fēng)場風(fēng)能量小，遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)領(lǐng)先行業(yè)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率成為業(yè)主在低風(fēng)速風(fēng)電場得以盈利的決定性因素。對于低風(fēng)速風(fēng)能的轉(zhuǎn)換，行業(yè)內(nèi)還存在一些誤解：面對年風(fēng)頻分布圖分析低風(fēng)速風(fēng)電場風(fēng)資源時，我們會發(fā)現(xiàn)低于6米/秒風(fēng)速的時間超過50%，不足4米/秒風(fēng)速的時間超過30%，從而認(rèn)為低風(fēng)速技術(shù)一定要降低機(jī)組的切入風(fēng)速，提高500kW以下功率段的功率曲線效率。其實，這混淆了風(fēng)速和風(fēng)能的概念，風(fēng)能不等同于風(fēng)速，而是和風(fēng)速成三次方的關(guān)系。如果從風(fēng)能的角度來看年風(fēng)頻分布圖，你會看到年風(fēng)頻分布會整體右移，而這時你也發(fā)現(xiàn)，雖然6米/秒以下風(fēng)速占全年時間的50%以上，但這部分風(fēng)速所蘊(yùn)含的風(fēng)能還不足全年的15%，3米/秒以下風(fēng)速的風(fēng)能占全年風(fēng)能的比例還不足千分之幾。因此，將切入風(fēng)速降低到2米/秒，本質(zhì)上沒有意義，只是徒然增加了自耗電和器件損耗。

從低風(fēng)速風(fēng)場的風(fēng)能分布來看，風(fēng)速在8米/秒到12米/秒段的風(fēng)能，盡管其僅占全年時間的30%，但所蘊(yùn)含的風(fēng)能則超過全年的70%以上。不幸的是，恰恰這個風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)能是最難以捕獲的，這也是實際風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和理論風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率偏差發(fā)生最大的風(fēng)速區(qū)間。原因很簡單，風(fēng)電機(jī)組在這個風(fēng)速區(qū)間正是風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速上下的范圍，這個時候的機(jī)組控制面臨著一個尷尬的境地，理想情況是，當(dāng)超過額定風(fēng)速時，機(jī)組的控制目標(biāo)是將風(fēng)能卸掉，但不能多也不能少，正好夠滿發(fā)；而當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，機(jī)組的控制目標(biāo)是盡量捕獲最多的能量，但現(xiàn)實情況是，風(fēng)速在瞬態(tài)會時而高于額定風(fēng)速，時而低于額定風(fēng)速，如果不采用激光雷達(dá)技術(shù)，我們很難預(yù)見下一時刻的風(fēng)速，機(jī)組可能在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時過度變槳而卸掉了更多的風(fēng)能，導(dǎo)致不能滿發(fā)。相反，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，機(jī)組也可能還處于上一時刻卸掉風(fēng)能的變槳狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步降低，而大風(fēng)輪慣量的增加，也加劇了這種低能量轉(zhuǎn)化在傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的常態(tài)化。這就是為什么有些使用了大風(fēng)輪傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的業(yè)主抱怨機(jī)組過度偏離理論發(fā)電性能的原因。

說到智能風(fēng)機(jī)針對低風(fēng)速的技術(shù)特點，遠(yuǎn)景智能控制技術(shù)中有一個基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本訓(xùn)練預(yù)測模型，這個有數(shù)十萬行代碼的在線運行軟件模型能夠不斷通過歷史樣本訓(xùn)練，實現(xiàn)對風(fēng)電場風(fēng)速模式的識別，這在很大程度上避免遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)在低能量轉(zhuǎn)化工況下運行的幾率。其實，這項技術(shù)在汽車行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，比如發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)可以通過歷史的過程，識別出駕駛者的駕駛習(xí)慣，從而提升發(fā)動機(jī)的控制性能。風(fēng)電場也是一樣，盡管下一時刻的風(fēng)速難以預(yù)測，但只要風(fēng)電場的風(fēng)速特點有所不同，遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)就能識別，這也是遠(yuǎn)景智能風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速風(fēng)能蘊(yùn)含量最大的風(fēng)速區(qū)間風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率行業(yè)領(lǐng)先的重要原因。