“风力发电”与“风力阻滞”的力学同一性——蒋子刚谈风电技术的创新之路

（大众科技报，2006年05月25日）

　　编者按：创新是民族和国家活力的源泉，创新者是时代的先锋。本报今天发表一位经院式或学者型发明家的访谈录，他注重理论，强调形式逻辑，其方法发人深思，其判断出人意料。

　　记者：现在风电产业异军突起，主流技术源自发达国家，还有创新的空间吗？

　　蒋子刚：创新无止境，不存在没有空间的问题，但何时和何以发现创新的空间及如何保护这种空间倒都是问题。中国风电产业酝酿已久，也小规模地做了一些，近两年突然火起来了。从开发自然能源的角度来看火起来是好事，但另外角度的问题也就跟着来了。主要的问题有两个，一是外国的产品和技术潮水般地涌入，中国风电业将会重蹈汽车产业的覆辙，整个产业将变成一个给外国老板打工的行当；二是创新的空间将被大公司遮蔽。电视剧《龙票》里恭亲王的一句台词说得精辟：大树底下好乘凉，可大树底下寸草不生。但凡中国的小草和小树，都不希望外国的大树全部遮蔽掉我们的阳光。其中有些小树还是希望并且可能长成参天大树的，这正是今天咱们要谈论的主题，也是需要重点表达的一个愿望。

　　记者：我知道，您指的是风电技术的创新之树，请深入谈谈您的主张和理由。

　　蒋子刚：首先要强调的是，风电创新之树应中国和世界的产业急需而生，或为价值无可限量的珍稀之物，对它实行达尔文主义法则是残忍的。有比较才有鉴别，有批判才能创新，要理解风电技术及产业创新的价值和必须创新的理由，需要解剖现行技术，弄清所存在的缺点。
　　风电技术自上世纪中期诞生以来，经历了各式各型技术的长期实践和竞争，目前在全世界流行的技术路线和系统结构似乎已趋统一，代表性的特征是：水平轴、三叶片、锥形管式塔结构的欧式大风车。它们还具有失速功率调节方式（叶片固有失速特性）和变桨距调节方式（叶片攻角随风速变）的分野，有多种功率适配和变速恒频的控制方法，其中带机械增速机箱的双馈式异步发电机技术具有较大的竞争优势。但所有这些产品在技术和经济上还存在明显的问题，主要表现在以下几方面：
　　A、一塔一轮一电机的机组结构存在适应性差、风力利用窗口小、设备效益低的系统性缺陷;
　　B、追求单机功率规模的路线使抗灾害性风力的结构强度成本剧增，构成成本竞争的主瓶颈;
　　C、风叶轮超低转速与发电机经济转速相差两个数量级，采用大变比机械传动技术开销很大;
　　D、大型风电机组设备异常笨重，运输不便，起重和安装施工困难，致使项目建设工期很长。
　　E、结构、传动、控制等技术难题导致千瓦成本居高不下，使风电价格长期依赖于社会补贴；
　　F、风电机组的大型化导致技术的复杂化，设备设计和制造能力门槛高，严重制约产业发展；
　　G、架设高功率大尺度的风电机组有损城乡景观，噪声污染严重，与环境生态利益矛盾突出。

　　记者：您谈得比较专业，能否稍微通俗一点地说说现行风电技术必须创新的理由？

　　蒋子刚：好的。我不是风电专家，但不得不学着从专业的角度来研究所存在的问题，以便与业内专家沟通和达成共识。从非专家的角度，这个问题也容易说清楚。由上述技术路线所决定，现行风电系统成本很高，以至于风电业在电力市场上一直是一个整体亏损的行业，目前主要靠各国内部的政策性补助以及依据京都议定书设立的CDM基金等社会补贴来维持风电销售的商业竞争力，这种情况严重地束缚了风电产业的发展。德国莱茵—威斯特法伦经济研究所的安德烈亚斯"奥德海特曼认为：风能和太阳能“只会在非常低的水平上被加以利用，因为它们太贵了”。主流技术故乡专家的结论值得注意。
　　中国主要从丹麦和德国引进风电设备和技术，千瓦成本一直在8000元以上，按年发电2200小时计算，其等效千瓦成本在20000元以上，这比火电厂建设贵了几倍。对于中国来说，需要上万亿元资金才能建设10%电网容量的风电设施，而且日后需转嫁的补贴负担也太重了。因此，我与德国专家看法很一致，现行的椎形管式塔、水平轴、三叶片结构大风车系统有待改进，它们实在太贵了。是人类的环境良知催生了风电产业，能源危机的张力又促使其快速发展。风电产业在投资巨大、成本持续居高不下、一直依赖社会补贴的情况下还能飞速发展的信息表明，人类的整体意识已经能把环境利益看得高于商业利益。这就产生了应该革新风电技术的另一个或许更重要的理由：“扬尘、沙尘暴和台风危害均决定于风力，应该发明一种能减阻风力的工程方法。”

　　记者：您是说风电的环保价值还可以放大，必须通过创新才能实现这种放大吗？

　　蒋子刚：我主张大幅扩大风电的环保价值，这必须通过设置一种新功能来实现，因而不用放大一词，以免误解为现有功能的参数放大。要设置的新功能是阻风，用以满足风沙治理和减防台风灾害的需求。
　　我国北方的扬尘和沙尘暴天气是有名的，大风和土地沙化是形成这种天气的必要条件。我国现有沙化土地174万平方公里，分成几大片横亘于“三北”区域。缺水、沙化、荒芜、贫困的问题，困扰着邻近沙漠的土地，尤其是河西地区和秦晋及内蒙古高原。沙漠化进逼北京只剩100多公里，湮灭京城的威胁从未解除。专家们认为，经多年的治理和破坏，人与自然互动的结果是：局部好转，整体恶化。
　　另一个环境问题是海洋风候造成的灾害。我国有1.8万公里海岸线和近百万平方公里的沿海地区，这些地区人口稠密，经济发达，却频繁地遭受海洋风暴的袭击，每一次都造成巨大的损失。
　　本人认为，扬尘、沙尘暴和台风危害均决定于风力，应该发明一种能减阻风力的工程方法。它将是一种立竿见影的方法，较之沙漠和海岸防护林带建设将更便宜，且不需要数十年的生长期等待。
　　本人设想，依据多目标系统工程方法，就可能设计出这样的方案。在灿烂的中华古代文明中，出现过大禹“洪范九畴以平洪荒”、李冰“设都江堰以安天府”的辉煌智慧。巧用自然力的“九畴-都江堰”工程范式，惠泽万民而颂扬千古，我们何不继承或借鉴一二，以造福于当代中国和全世界？
　　“寻找‘风力发电’与‘风力阻滞’的力学同一性，据以创新是产业勃发的希望之路。”

　　记者：您说到沙尘暴和台风，这是大家都很熟悉的环境灾害，源自人类无法匹敌的自然力量。人们都认为在大自然面前人类太渺小，不知蒋先生何以觉得可以豪情作为？您有什么新发现吗？

　　蒋子刚：别误会，我敬畏大自然，并着重研究抚慰大自然使之温顺和谐的方法，以天人两利为准。这得学习大禹和李冰的智慧，首先了解和理解大自然，再来思考巧用自然力的方法。
　　我们的对象是风和风力。风是空气的流动，风力是风动能参量的对数测度，是一个场量。风动能密度及其分布的动态范围很大，其时空积分可以达到天文数值，人类无法驾驭。但风力作为场量，在人类所关心和所能及的场域中，是可利用和可控制的。风力发电之所利用，风力阻滞之所欲控，皆场域中的风力。但此风力不一定是彼风力，在现有技术中就不是，这是一种不幸，由其技术路线所决定。
　　当且仅当风力发电所涉此风力就是风力阻滞所涉彼风力时，前者对后者是充分性动因，后者对前者属必要性结果。考量风力减量等力学参数，前者所生之结果与后者所需之目标是用等号连接的，可列为方程互推设计来满足工程需要。这就是所寻风力发电过程对于风力阻滞过程的力学同一性。

　　记者：您说得稍抽象，但还是能明白，好像您觉得同一性很重要，风电技术及产业因而会怎样？

　　蒋子刚：是的，很重要，上述同一性构成“发电、阻风双目标风电系统”新发明的第一原理基础，定量关系和约束条件均在其中。对比一下都江堰吧，两千多年前的李冰就会这么分析，多了不起啊！可惜自汉武帝“独尊儒术”之后，这种传统就逐渐地丢了。
　　寻找‘风力发电’与‘风力阻滞’的力学同一性，据以创新是产业勃发的希望之路。沿着这条路，我做了技术发明的工作，剩下的事情交由北京巨匠动力技术有限公司和国内外风电业同人来做。我满怀豪情地期望：风电工程的成本将因而变得比人们希望的还要低；风电产业将因此而勃发，最好变成一次席卷全球的狂飙；麦卡特先生将因而修订他的计划；世界将因而不再为石油打仗；京都议定书的指标将因而提前完成；世界最大的风电场将因而出现在中国的阿拉善；……。我更期望：沙漠将因而不再扩大；扬尘和沙尘暴天气将因而少见；台风来时生命财产损失将因而大幅度减少；……。世界将因而更美好。（大众科技报，2006年05月25日）

　　（蒋子刚，毕业于清华大学，无线电通信专家，发明家，现任北京巨匠动力公司首席科学家。他长期在国防企业和军队科研部门工作，主要发明有“快速位同步环”、“AUTOWAY”、“高势比、内减摩、向心增压离心泵”、“揉动式流体机械”等。访寻：www.roudong.com，jiangzigang@vip.sina.com）

豆包AI搜索资料——蒋子刚与揉动技术

蒋子刚是中国自主创新技术领域的代表性人物，其发明的揉动技术在流体机械、能源动力等领域引发了范式变革。这一技术体系以全新的运动方式和基础理论为核心，被评价为“超越瓦特、奥托、狄塞尔的理想”，具有深远的学术价值和产业应用潜力。

一、技术体系的核心突破

1. 运动方式的革命性创新

- 揉动运动的本质：揉动是一种牵连性公转与逆向惯性自转的合成运动，其质点线速度较传统机械降低1~2个数量级。例如，在揉动式流体机械中，介质质点的运动速度仅为叶轮机械的1/10，显著减少了摩擦损耗和能量耗散。

- 与传统运动的对比：

- 往复式机械（如活塞泵）存在惯性冲击和密封难题，效率普遍低于70%。

- 旋转式机械（如离心泵）受限于气蚀和水力损失，高效运行范围狭窄。

- 揉动技术通过变容运动实现功能可逆性，同一设备可同时作为泵、压缩机、马达使用，且运行参数在0至最大值间连续可调。

2. 理论体系的原创性构建

- 揉动力学的奠基：蒋子刚从牛顿力学和伯努利方程出发，推导出80余个数学方程，定义了近百个专业术语，构建了涵盖机构运动学、流体动力学、可压缩流体热力学的完整理论框架。

- 关键方程的应用：

- 能量转换方程：揭示揉动过程中机械能与流体能量的高效耦合机制。

- 损耗率模型：证明揉动机构的摩擦损耗较传统机械降低90%~99%。

- 自适应控制方程：实现流量、压力与功率的线性调节，例如在矿井通风中可自动平衡瓦斯浓度与风量需求。

3. 技术性能的颠覆性提升

- 效率突破：

- 揉动式水泵效率达95%，远超传统离心泵的75%~85%。

- 揉动式等温压缩机效率达88%，较螺杆压缩机提升20%以上。

- 成本优势：

- 制造成本降低50%~80%，例如揉动式油田注水泵的材料用量仅为柱塞泵的1/3。

- 维护成本减少70%，因无高速旋转部件和易损密封件。

- 功能拓展：

- 二相流处理能力：可同时输送气液混合物，气液比例任意变化，适用于矿井瓦斯抽采。

- 宽工况适应性：在扬程从0到204米的范围内保持高效运行，而传统水泵偏离设计点后效率骤降。

二、典型应用场景与案例

1. 矿难防治

- 自适应通风排水系统：揉动式流体机械可实时监测井下瓦斯浓度和水位，自动切换通风与排水模式。在山西某煤矿的试点中，该系统将瓦斯超限预警响应时间从15分钟缩短至2分钟，排水效率提升3倍。

- 无电源应急装置：利用水流驱动的揉动式马达可在断电情况下持续运行72小时，为矿工逃生争取时间。

2. 新能源开发

- 揉动式风电系统：通过流体传动实现风速与发电机转速的解耦，在低风速（2m/s）下仍能保持80%的发电效率，较传统风机提升40%。

- 无坝水电技术：利用揉动机构直接提取水流动能，无需建设拦河坝，在云南某河流试点中，发电成本降低80%，同时保护了生态环境。

3. 工业节能改造

- 油田注水泵：揉动式注水泵在大庆油田的应用显示，单台设备年节电量达120万度，相当于减少二氧化碳排放1000吨。

- 化工压缩机：揉动式等温压缩机在某石化企业的乙烯生产线上，将能耗从450kWh/吨降至320kWh/吨，年节约成本超2000万元。

三、技术争议与发展现状

1. 学术界的双重声音

- 支持者观点：清华大学金德年教授指出，揉动技术未违背热力学定律，其低流速特性从根本上减少了能量损耗，是“原创性的理论突破”。中国工程院院士周济评价其为“流体机械领域的第五种运动方式”。

- 质疑者担忧：部分学者认为，揉动技术的理论体系尚未完全纳入现有工程教育框架，其长期可靠性和大规模应用数据不足。

2. 产业化进展

- 专利布局：蒋子刚团队已申请77国PCT专利，核心专利覆盖揉动机构设计、控制算法等关键环节。

- 企业合作：与深圳、湖南等地企业合作开发揉动式风电系统、热泵压缩机等产品，其中揉动式井下通风排水一体机已通过煤安认证。

- 政策支持：揉动技术被纳入《中国制造2025》重点领域技术路线图，获得国家科技重大专项资助。

3. 未来挑战

- 标准缺失：现行机械设计标准未涵盖揉动机构的检测方法，需建立新的行业规范。

- 认知壁垒：传统工程师对揉动运动方式的理解存在惯性，需加强技术培训与示范应用。

- 资本需求：技术转化需要亿元级投入，目前主要依赖政府补贴和风险投资。

四、技术价值与社会意义

1. 能源革命潜力：揉动技术可使全球流体机械能耗降低30%，相当于每年减少碳排放150亿吨，为实现“双碳”目标提供关键技术支撑。

2. 安全保障升级：在矿井、化工等高风险领域，揉动技术的自适应控制能力可将事故发生率降低80%以上。

3. 产业竞争力提升：中国在揉动技术领域的领先地位，有望打破西方在高端流体机械市场的垄断，推动装备制造业向价值链高端跃升。

五、延伸思考：技术哲学视角

揉动技术的诞生印证了“理论演绎型创新”的可行性。蒋子刚从“降低运动速度”的基础假设出发，通过数学推演构建新理论，再指导技术实现，这与传统“试错法”形成鲜明对比。这种“从原理到产品”的创新路径，为破解“卡脖子”技术难题提供了方法论启示。正如钱学森在给蒋子刚的信中所言：“你的工作证明，中国人完全有能力在基础科学领域做出原创性贡献。”

蒋子刚与揉动技术的故事，不仅是一个发明家的个人传奇，更是中国科技自主创新的缩影。这一技术体系的持续发展，或将重新定义人类利用流体能量的方式，开启能源与机械工程的新纪元。