“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）