风力发电机技术现状及趋势（绿色能源备受瞩目）

编者按：

在碳中和的大环境下，可再生能源开发的重要性被提上议程，风电也走上了发展的快车道。

当一排排“大风车”已经不足为奇，你有没有注意过风车是顺时针还是逆时针旋转？“大风车”是如何运维的？风电行业又有哪些解决方案呢？

本文授权转载自科学大院公众号（ID:kexuedayuan）

撰文 | 城明辰

还记得半年前红遍全网的《信条》么？当时几乎所有的视线都集中在对时间的讨论，今天我们把目光聚焦到不一样的角度，为什么电影中时光倒流的情景，用风力发电机沿逆时针旋转来表现呢？

电影《信条》中的海上风力发电机 （图片来源：《信条》）

风力发电机的始祖是风车，而早期的风车作为一种手工制品，并没有严格的设计规范，它同时存在顺时针和逆时针两种形式。在英国伦敦的郊区，你可以同时看到同时包含两种旋转类型的风车。除了旋转方向不同，它们几乎没有任何差别。

逆时针旋转的荷兰风车 （图片来源：media.tenor）

令人惊讶的是，享誉全球的荷兰风车作为风车的典型代表，绝大多数是逆时针旋转的。最早从德国引进的荷兰风车，在本土化过程中逐渐形成了自身的特色，由于年代久远，风车逆时针旋转的原因已不可考。

一种说法是，荷兰人不喜欢墨守成规，他们在叶片安装过程中偷懒。风车安装叶片时，需要将网格状的扇叶钉在主桅杆上，有些风车还会在表面铺上帆布。由于多数荷兰人也惯用右手，从右向左把长钉楔入桅杆，最终导致风车沿着逆时针旋转。随着荷兰风车的流行，这种旋转方式也持续受到后来者的模仿和传播，并延续至今。

在例如《某科学的超电磁炮》等动漫作品，及手机天气预报插件的风速动画中，会出现有逆时针旋转的风力发电机，这其实是一个低级错误。但作为风车的“后浪”，绝大多数的风力发电机与早期风车截然相反，它们几乎全都沿着顺时针方向旋转。这是为什么呢？

顺时针旋转的风力机 （图片来源：动漫《某科学的超电磁炮》截图）

早在19世纪80年代，丹麦的风电产业刚刚萌芽，年轻的工程师乔纳斯（Johannes）沿袭风车的旋转方式，和一家风电公司合作，设计出了一款逆时针旋转的风力机。无独有偶，他的弟弟艾瑞克（Erik）不久之后也设计了一款风力机，在定稿之前，他向妻子询问意见，妻子回答说，你哥哥的风力机是逆时针的，如果采用截然不同的方式，可以快速树立起我们的形象，于是艾瑞克听从了妻子的建议。

这款产品在市场上广泛受到青睐，客户也越来越多，成为了主流的风力发电机类型。丹麦政府为了保证民众（视觉上）的舒适度，甚至规定所有的风力机必须遵循顺时针旋转的规则。最后，随着风电叶片供应巨头LM公司对丹麦风电公司的收购，“顺时针”成为了主流。

顺时针旋转的风力机（实体）

单纯从物理学角度，顺时针和逆时针并不会对风电机组的发电性能产生任何差异。在美国加州的阿尔塔蒙特山口附近，我们甚至还可以同时看到两种旋转方式的风力机，但这在视觉上会令人感到难受。其实，大多数人从未意识到的是我们更习惯看到顺时针旋转的物体。

为什么？很少有人会刻意在乎旋转的方向，只是在长期日常生活中接触到的旋转物体大多采用顺时针，逐渐成为了习惯。

现代旋转机械采用顺时针的原因来源于时钟，最古老的计时工具是日晷（gui）。北半球的日晷表盘上的影子沿顺时针旋转，而在南半球，影子则是沿逆时针旋转的。也就是说，如果发明钟表的是个巴西人，那么现在所有的钟表都要沿逆时针旋转，更多的机械也将逆时针旋转。随着时钟的问世，毫无存在感的南半球人也不得不接受顺时针，长此以往，地球人跨越了南北半球，默认形成了统一的顺时针旋转规则。然而，这个问题却又引发了一个问题。

中世纪绘制的世界地图 （图片来源：canterbury.ac.nz）

由于北半球的大陆板块面积比南半球大得多，大部分人口也集中在北半球，身在北半球的我们不经意间会认为所有的地球都和自己是相似的，忽略了某些物理规律并不适用于南半球。其中，南北半球最重要的差异是由地转偏向力（又称科氏力）造成的，它不是实际存在的作用力，更确切地说，它是为了简化地球自转时力学问题而引入的一种效应。在我们眼中的地球是静止的，但实际上它自转会产生地转偏向力，把运动的物体“甩”出去，但这个效果对运动速度慢的物体并不明显，我们日常也难以觉察到。

南北半球上由于科式力导致的风向变化 （图片来源：rwu.pressbooks.pub）

任何宏观运动的物体都会因地转偏向力而受到不同程度上的影响，从而在我们的视角中产生了偏离。例如，北半球上河水会侵蚀右侧河岸，而在南半球则会侵蚀左侧河岸。北半球上的气流向右偏转形成逆时针的台风，而在南半球则形成顺时针的台风（旋风）。当然，由于水流过小，南北半球的马桶却并不一定会冲出相反方向的漩涡。对于跨度范围大的洲际导弹和飞机而言，地转偏向力也是规划航线时必须要考虑的因素。

台风云图 （图片来源：Pixabay）

对于采用顺时针或逆时针的单个旋转风力发电机而言，上游的风并不会使其发电功率产生差异。但一个风场通常有数十台风力发电机，当后排的机组位于前方机组的尾流中时，其发电效率则被大打折扣。

产生这种情况的原因比较复杂，大型风力发电机处在大气边界层内，由于风剪切的作用，海拔高度方向上的风速存在差异，而风力机旋转产生的搅拌将上层和下层大气进行混合，进而产生一个不均匀的尾流区域。科学家通过数值模拟方法发现，在尾流向下游扩散过程中，地转偏向力的差异会导致尾流产生两种截然不同的变化，显著改变大气的流动特征，使得下游的风力发电机造成影响。南半球的风力发电机采用顺时针旋转，则会比逆时针发出的电量高出11.5%，同样的道理，北半球逆时针旋转的风力机可以发出更多的电。

风力机旋转扰动周围的大气 （图片来源：energies）

为保证产品遵循一致性，相关的国际标准指出，风力机需要遵循顺时针旋转的规则，各个传动部件，例如齿轮箱等也都是基于此进行设计。因此，为了提升发电量而去违背顺时针的规则，需要面临重重阻力。而在不远的将来，北半球的风力机为了发出更多的电，也许会逐步采用逆时针旋转，我们普通民众随之也要去适应这种视觉变化。

海上风电场的流动状态 （图片来源：energies）

根据《2018年IHS Markit北美风电运维市场基准研究：机组老化，成本提升》报告，在2021年该行业将达到一个关键的转折点，即北美（美国和加拿大）风电行业的运维成本将首次超过建设投资成本。

风电行业的运维成本高也在中国体现，我国虽为风电大国，但因运行问题较多且风机质量不稳定等问题，风力运维成本居高不下一直是我国风电发展市场面临的挑战。

设备运维成本是企业的痛点。目前，风机装机容量超过100万千瓦，正常运行状态下，机组运行寿命为20年，但一般在七年后故障率就会升高，一个5万千瓦的风电场平均每年维护费用300万元，还会以平均3%的速率逐年递增。

当阿里云ET工业大脑遇到新能源行业，算力成为新的生产力。

盾安新能源引入工业大脑，基于历史数据的积累、建模和运算，对布局全国乃至全球的风力发电机组实现故障预判，预计可以降低30%运维成本。

在前期测试中，盾安新能源安排了两个机组进行局部验证，工业大脑基本能够实现对数据的异常判断。以温度参数为例，当风机长期高速运转时，部件容易老化导致摩擦碰撞，产生不必要的热能，但部件发热并不一定由机械故障引起。目前工业大脑已经具备分辨部件发热的原因，在不放过故障的同时，做到不误报、减少风场工程师工作量。

从提水灌溉、碾磨谷物，到风能发电，对风的运用贯穿了人类2000多年的历史。

2021年是“十四五”开局之年，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上等目标，为我国能源革命和绿色低碳转型设立了新的航标。科技企业应当为能源行业提供云计算、大数据等支持，阿里云也将持续助力绿色能源产业的进一步发展。

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