2月6日，被譽為“工程界諾貝爾獎”的2024年伊麗莎白女王工程獎（2024 QEPrize for Engineering）揭曉，兩位獲獎?wù)?丹麥的HenrikStiesdal 和英國的AndrewGarrad，均為風(fēng)電行業(yè)的領(lǐng)軍人物。其中，Henrik Stiesdal 作為“現(xiàn)代風(fēng)電產(chǎn)業(yè)之父”，開發(fā)了全球首款商業(yè)化三葉片風(fēng)電機組，以首席技術(shù)官的身份領(lǐng)導(dǎo)了西門子歌美颯風(fēng)電業(yè)務(wù)的崛起，最早提出并設(shè)計了海上風(fēng)電機組。如今，他繼續(xù)推動漂浮式海上風(fēng)電基礎(chǔ)、制氫等技術(shù)創(chuàng)新，為風(fēng)電行業(yè)帶來新思路。

2024年伊麗莎白女王工程獎授予兩位風(fēng)電工程先驅(qū)

與氣候變化作斗爭

當人們談及風(fēng)電發(fā)展歷史時，一定會提到的國家是丹麥。實際上，當代的風(fēng)電工業(yè)誕生于構(gòu)成丹麥國土面積大部分的一個多風(fēng)地區(qū)?日德蘭半島（Jutland）。這里正是Stiesdal的家鄉(xiāng)。

50年前，當Stiesdal還是十幾歲少年的時候，始于1973 年的石油禁運切斷了對西方大部分地區(qū)的能源供應(yīng)，能源成本急劇上升，再加上人們想找到核能的替代品，以此為開端，丹麥當?shù)氐陌l(fā)明家和機械師開始探尋新路徑，寄希望于利用這片平坦地帶的風(fēng)能資源來化解能源危機。

當時，無數(shù)懷揣夢想與熱情的年輕人將他們打造出來的新奇設(shè)備安裝到海岸線、平原和山脊上，這其中就包括Stiesdal，而他也成為了眾多創(chuàng)新者中最有影響力的一位。

Stiesdal對化石燃料的厭惡可以追溯到他19 歲時前往英國的一次自行車之旅。當時，他發(fā)現(xiàn)自己騎了好幾個小時，才逃出了由一座發(fā)電廠噴出的煙霧所籠罩的地帶。“我非常堅定地認為這是不對的。”他向記者回憶道。

然而， 正是因為這次旅行，Stiesdal 受到英國發(fā)電廠冷卻塔冒出的蒸汽羽流的啟發(fā)，后來用木材、鋼鐵和織物打造出兩個小型風(fēng)電原型機。

“1976 年年底，我才真正開始對利用風(fēng)能資源產(chǎn)生興趣。”他解釋道，“設(shè)計風(fēng)電設(shè)備具有挑戰(zhàn)性，但又不至于難到讓人望而卻步。有了數(shù)學(xué)和物理方面的高中知識，對于風(fēng)電涉及的空氣動力學(xué)、電氣工程和強度計算等問題，我都可以熟練地進行計算。與此同時，風(fēng)電還有一點非常吸引我，那就是它所涉及的東西是在當時經(jīng)過努力就能建造出來，真正用于日常生活的。”

Stiesdal 的首次嘗試，是用一塊厚厚的疊層木材切割出一個雙葉片部件，葉片寬度約10厘米。他還安裝了一段約半米長的水管作為旋轉(zhuǎn)軸。

在講述這段經(jīng)歷時，Stiesdal 提到了一本讓他備受鼓舞的書，它是由克勞斯·尼布洛（Claus Nybroe）和卡爾·赫弗思（Carl Herforth）撰寫的《太陽與風(fēng)》（Sol og Vind）。在這本書中，Stiesdal 讀到了普林斯頓大學(xué)的實驗。實驗中，一個布袋被拉伸在一個簡單的框架結(jié)構(gòu)上，這樣它就像機翼一樣具有良好的空氣動力學(xué)特性。Stiesdal進行了相同的嘗試，并認為書中的技術(shù)內(nèi)容和樂觀主義讓他受益匪淺。

發(fā)明創(chuàng)造的過程并不總是愉快且安全的。就像許多其他事故一樣，事后人們可以輕松地說出“這注定要出錯”之類的話，但面對未知，如果沒有人冒險去嘗試，那么就很難實現(xiàn)“從0到1”的突破。Stiesdal冒險嘗試的，則是讓風(fēng)電原型機按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

通常情況下，旋轉(zhuǎn)方向沒有實際意義，早期的風(fēng)車就是逆時針方向旋轉(zhuǎn)的。然而，這次不同，這臺自行建造的風(fēng)電原型機使用的是普通配件組裝，就像所有其他正常配件一樣，這里面包括右旋螺紋。

正是逆時針旋轉(zhuǎn)和右旋螺紋的結(jié)合引發(fā)了事故。根據(jù)定義，如果發(fā)電機的扭矩超過了擰緊扭矩，輪轂就會從發(fā)電機的軸上被擰下來。“當時，我想研究發(fā)電機在強風(fēng)中的效率，所以才會這么做。意識到要出事，我馬上撲倒在車后面，緊接著就看到整個葉片在空中回旋，‘砰’的一聲砸到了車上。”回憶起此事，Stiesdal至今仍心有余悸。

有了這次實踐的基礎(chǔ)，Stiesdal意識到，雙葉片存在動態(tài)穩(wěn)定性問題，因此，“真正的”風(fēng)電機組應(yīng)該有三支葉片。1977年的春天，他開始建造這種風(fēng)電機組，但也遇到了新的問題。依靠此前的兼職工作，Stiesdal攢下了一些錢，但想用這些錢購買全新的組件，來建造一臺具有一定單機容量的風(fēng)電機組，是遠遠不夠的。

就像許多其他發(fā)明者一樣，Stiesdal 采用的解決方案是回收零件。他在當?shù)氐膹U品站里翻遍各個角落，找到了大部分部件。值得一提的是，廢品站的商品價格是固定的，即每千克1丹麥克朗，因此，總價可以通過簡單的稱重來確定，也就意味著Stiesdal能準確地控制這臺自造風(fēng)電機組的成本。

正準備大干一場的時候，Stiesdal自1977年5月到1978年2月服了兵役，但他心中的夢想不曾改變。就在退役回來的那一周，Stiesdal滿懷熱情地參加了由可再生能源組織舉辦的“風(fēng)能會議”（Wind Meet），并做了主題演講。會上，專家們很快達成了一項協(xié)議，即應(yīng)該提前制定風(fēng)電機組的安全指導(dǎo)方針。為此，Stiesdal和另外五名先驅(qū)者成立了一個安全委員會。1979年年初，該委員會發(fā)布了一本關(guān)于風(fēng)電機組安全規(guī)則的小冊子，其中的規(guī)則成為后來丹麥核準風(fēng)電項目的依據(jù)，其基本原則也被眾多國際標準采用。

Henrik Stiesdal在工作間進行實驗

在對的時間遇到對的人

雖然“風(fēng)能會議”及其成果對推動風(fēng)電行業(yè)發(fā)展具有很重要的意義，但擺在Stiesdal面前的現(xiàn)實難題卻是如何將自己那臺“真正的”風(fēng)電機組造出來。幸運的是，很快他遇到了一個人，并成為Stiesdal未來幾年在風(fēng)電機組研發(fā)方面的“左膀右臂”。

“當時，我需要在主軸上做些加工， 但我沒有工具， 就去了附近一家機械加工廠，剛進門就看到有個人正在擺弄一個多葉片風(fēng)電機組的部件。”Stiesdal提到的這個人名叫卡爾·埃里克·約根森（KarlErik J?rgensen，于1982年去世），他出生和成長在一個貧困的農(nóng)村，年紀輕輕便外出謀生。后來，約根森患過一場嚴重的癌癥，給他留下了多處殘疾和全額殘疾撫恤金，但這并沒有影響他對機械的熱愛。約根森的這家機械加工廠就是最好的證明，他對房屋進行了改造，從廚房和浴室就能直通工作車間，便于更快地投入工作。

“我們從一開始就一拍即合，他是非常優(yōu)秀的工匠，想要建造真正的風(fēng)電機組，但他缺少理論方面的支持，而我則需要實踐方面的幫助。”Stiesdal說道。

時間來到1978 年的春天，丹麥技術(shù)研究所（DanishTechnological Institute） 成立了一個特別的部門，即發(fā)明者辦公室（Inventors’ Office），旨在向發(fā)明者提供咨詢服務(wù)，并幫助獲得某些形式的政府贈款。

聽聞此事，Stiesdal 畫了一張簡單的三葉片風(fēng)電機組的草圖，并寫了一份簡短的項目描述，迫不及待地前往發(fā)明者辦公室。“結(jié)果是，我們拿到了一張5萬丹麥克朗的支票，用于支持我們的合作項目。顯然，這筆贈款是從經(jīng)濟上實現(xiàn)建造風(fēng)電機組的先決條件，但也是一種非常鼓舞人心的激勵?有人相信風(fēng)電將有所作為。”Stiesdal自豪地表示。

有了資金支持，兩人開始著手工作，Stiesdal 負責(zé)計算、組件采購和編寫應(yīng)用程序，約根森負責(zé)實際工作。

包括塔架在內(nèi)的所有設(shè)備，都是由約根森親手打造。葉片則是通過他們在安全委員會認識的埃里克·格羅夫-尼爾森（ErikGrove-Nielsen） 那里得到的。

1979 年，兩人開始開發(fā)風(fēng)電機組的量產(chǎn)版本。“我們一致認為，是時候找企業(yè)進行規(guī)模生產(chǎn)了。當時正好聽說有一家制造商在測試風(fēng)電機組。經(jīng)過簡短的談判，我們于1979年秋天達成了協(xié)議。”Stiesdal提到的這家公司，當時是一家起重機制造商，現(xiàn)在叫作維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)公司（VestasWind Systems），“這是維斯塔斯風(fēng)電業(yè)務(wù)的開始，實際上也是我自己開拓時期的結(jié)束”。

Stiesdal 與約根森設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)合了許多后來被稱為“丹麥概念”的想法。例如，采用三支葉片，以及可以防止旋轉(zhuǎn)失控的“空氣剎車”（airbrakes）。而為捕獲最多的風(fēng)能資源，他們設(shè)計了讓機艙隨著風(fēng)向轉(zhuǎn)動的功能，并對變槳技術(shù)和直驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展作出重要貢獻。這些想法在當時是很新穎的，正是這些創(chuàng)新，為后來的全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

Henrik Stiesdal于1978年制造的15kW風(fēng)電機組原型發(fā)電機，展示于丹麥風(fēng)電歷史收藏博物館

助力綠色能源巨頭崛起

起初，維斯塔斯用來進行試驗的是一種效率較低的雙葉片原型機。隨著Stiesdal等人設(shè)計的三葉片機組成為維斯塔斯的主力產(chǎn)品，這家企業(yè)成為了全球領(lǐng)先的風(fēng)電機組制造商，2022年的銷售額達到145億歐元。

在上大學(xué)（學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)）和為維斯塔斯提供咨詢的間隙，Stiesdal加入了日德蘭半島的一家名為Bonus的能源公司， 并在日后成為公司的首席技術(shù)官。這家企業(yè)被收購后同樣成為風(fēng)電行業(yè)巨頭，現(xiàn)在名為西門子歌美颯可再生能源公司（Siemens Gamesa Renewable Energy）。

當被問及正式入職公司后有何感想，Stiesdal 首先想到的是測試。“對于早期的工作經(jīng)歷，要說有什么遺憾的事，或許是沒能更早地發(fā)現(xiàn)測試工作的重要性。例如，我在Bonus公司擔(dān)任技術(shù)經(jīng)理期間，雖然做了現(xiàn)場測試，但對部件的測試驗證工作有所不足。許多機組問題都源于此，事后看來，我們應(yīng)該比實際早10~15年建造試驗臺。”他表示，如果能夠回到過去，并給年輕時的自己及團隊提建議，那么一定會讓大家將測試作為工作中的一大重點。

在西門子歌美颯，Stiesdal 主導(dǎo)了技術(shù)上的突破，如葉片的新鑄造工藝，使風(fēng)電機組的大型化成為可能。該公司負責(zé)新風(fēng)電機組設(shè)計的斯蒂芬·鮑爾森（Steffen Poulsen）表示，“Stiesdal確定了自己的愿景和夢想，然后會將其變?yōu)楝F(xiàn)實。”

也許Stiesdal 最具預(yù)見性的創(chuàng)新，是通過1991年在丹麥Vindeby附近的淺水區(qū)建造世界上第一座海上風(fēng)電場，引領(lǐng)風(fēng)電行業(yè)走向海洋。

這一創(chuàng)新幫助丹麥培育出全球最大的兩家可再生能源開發(fā)企業(yè)?Vindeby風(fēng)電場的所有者沃旭能源（Orsted），以及管理著190億歐元的私營企業(yè)哥本哈根基礎(chǔ)設(shè)施合作伙伴公司（Copenhagen Infrastructure Partners）。然而，他呼吁，“我們花了20年的時間，讓陸上風(fēng)電發(fā)揮出重大作用。但對于海上風(fēng)電，我們沒有這么長時間的學(xué)習(xí)曲線了。”

據(jù)Stiesdal 介紹，在20世紀80年代初，海上風(fēng)電在（少數(shù)）風(fēng)能會議上是一個非常熱門的話題。然而，沒有人為此真正去做任何探索。

值得慶幸的是，到20 世紀80年代末，丹麥政府意識到自己遲早會耗盡陸上風(fēng)電的開發(fā)空間，是時候該開拓思路了。1989年，丹麥政府指示該國東部的ELKRAFT和西部的ELSAM兩個公用事業(yè)協(xié)會各自開發(fā)一個5MW的海上風(fēng)電場示范項目。由于之前沒有人從事過海上風(fēng)電，因此，在實踐中進行了諸多考慮，主要包括確保機組的密封性，在機艙或塔筒內(nèi)沒有外部空氣循環(huán)，并使用除濕器使之保持干燥，在外部應(yīng)用與北海海上條件相對應(yīng)的涂料系統(tǒng)。為方便維修操作，風(fēng)電機組安裝了內(nèi)置起重機，并開發(fā)出一種大型可移動起重機，用于更換主要部件。安裝工作使用的是駁船上的傳統(tǒng)液壓起重機。

“每個人都討厭可移動的起重機，安裝困難，存在安全隱患。這種設(shè)計后來被廢棄了。”Stiesdal說，“不過，從結(jié)果來看，海上風(fēng)電不僅是可行的，也是有效的。”

雖然從1991 年到2010年左右，海上風(fēng)電的發(fā)展經(jīng)歷了一段緩慢期，但如今它已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的新“賽道”。預(yù)計到2050年，海上風(fēng)電發(fā)電量將滿足歐洲一半的電力需求。

靠創(chuàng)新與降本吸引投資

時至今日，在日德蘭半島中部小鎮(zhèn)的一家工廠里，工人們拿著焊接工具，準備生產(chǎn)巨大的四面體結(jié)構(gòu)，足足有兩個美式橄欖球場那么大。由Stiesdal設(shè)計的這些結(jié)構(gòu)，將作為漂浮式風(fēng)電機組的基礎(chǔ)。

在風(fēng)電巨頭工作幾十年后，Stiesdal 建立了一家以他的名字命名的初創(chuàng)企業(yè)，尋求以創(chuàng)新的方式來提供清潔、負擔(dān)得起的能源，并應(yīng)對氣候變化。

在公司的另一個車間，工程師們正測試著一臺機器，它看起來像一堆自助餐廳的托盤。這是一種新設(shè)計的電解槽?能夠吸水并從中提取氫氣的裝置。

Stiesdal 還在自家地下室里用氫氣做實驗（氫氣是一種潛在的爆炸性氣體）。“應(yīng)對氣候變化不只是說說而已，我們已經(jīng)做出承諾，就要用實際行動來證明。”雖然已經(jīng)年近70歲，但身高超過1.9米的Stiesdal看起來依舊健碩，他相信自己的一套技術(shù)將有助于大幅減少溫室氣體排放。

此外， 他與丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University ofDenmark）的研究人員正在合作開發(fā)電解槽，旨在降低制造綠氫的高昂成本。雖然電解槽仍處于調(diào)試階段，但他的公司已經(jīng)與印度能源巨頭信實工業(yè)（Reliance Industries）達成了設(shè)備生產(chǎn)的初步協(xié)議。

“我們從來沒有預(yù)見到風(fēng)電會發(fā)展到現(xiàn)在的規(guī)模。恰恰相反，我們曾經(jīng)看著歐洲和美國的大型風(fēng)電項目，搖了搖頭認為看不到成為商業(yè)項目的前景。但是我們把規(guī)模問題和行業(yè)問題混淆了。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)能夠從規(guī)模優(yōu)勢中獲益。我們也沒有預(yù)見到風(fēng)電需要像現(xiàn)在這樣支持電力系統(tǒng)。我們曾只將風(fēng)電視作電力供應(yīng)的補充，而不是作為實際提供大部分電力的單元。但在風(fēng)電能夠為世界作出貢獻這點上，我深信不疑，從未改變。”他說道。

即便遇到困難，Stiesdal 也從來不曾后退，而是思考如何改變這種狀況。在北歐可再生能源行業(yè)陷入低迷之際，該地區(qū)的風(fēng)電機組制造商由于成本上升和項目審批緩慢而面臨著前所未有的困難。Stiesdal主動行動，他的公司籌集了大約1億美元。為降低成本并擴大業(yè)務(wù)范圍，Stiesdal計劃將大部分新產(chǎn)品授權(quán)給其他企業(yè)生產(chǎn)，并指出要“通過標準化和模塊化組件來降低生產(chǎn)和物流成本”。

在投資者看來，Stiesdal 會將技術(shù)創(chuàng)新和降低成本融合到一起去考慮。“他有很強的商業(yè)頭腦，這正是吸引投資最重要的一點。”丹麥養(yǎng)老基金公司（Pension Danmark）首席執(zhí)行官托本·莫杰·佩德森（Torben Moger Pedersen）給出了這樣的解釋。該公司管理著80萬名員工的退休基金，是Stiesdal最大的投資者之一。

在創(chuàng)新道路上步履不停

根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，風(fēng)電是擴大各國可再生能源增長潛力最重要的技術(shù)之一。隨著成本競爭力的提高，到2028年，風(fēng)電和太陽能光伏的新增裝機容量預(yù)計將增加一倍以上，占可再生能源全部新增裝機容量的96%。

自從西門子歌美颯首席技術(shù)官的職位上退休以來，Stiesdal一直在尋找新的方式來取得新的成就。其中一個領(lǐng)域是漂浮式風(fēng)電機組的基礎(chǔ)。雖然海上風(fēng)電為風(fēng)電行業(yè)開辟了更廣闊的領(lǐng)域，但漂浮式海上風(fēng)電機組的安裝成本更高，部分原因是它們不在裝配線上生產(chǎn)。

Stiesdal公司設(shè)計的漂浮式海上風(fēng)電模塊化基礎(chǔ)及TetraSpar示范項目

Stiesdal 認為，接下來的十年里漂浮式海上風(fēng)電可以實現(xiàn)商業(yè)化。風(fēng)電“可以提供我們所需的全部電力，但風(fēng)能資源的分布非常不均勻。在歐洲西北部有很多淺水區(qū)，容易開發(fā)海上風(fēng)電，電力用戶也很多。中國、美國東海岸同樣如此。然而，世界上大多數(shù)地方并沒有這樣的場景。如果我們引入漂浮式海上風(fēng)電，風(fēng)能資源的利用潛力可以增長10倍”。

不僅是風(fēng)電機組，海上電纜的成本也會隨之下降。值得注意的是，固定式海上風(fēng)電的成本也將越來越低，最終固定式海上風(fēng)電和漂浮式海上風(fēng)電的成本曲線會有交集。“這些產(chǎn)品并非特別高科技或勞動密集型的，在很多方面，與我45年前作為開拓者所做的事情很相似。”他解釋說，“真正需要的，是親身實踐的方法和具備專業(yè)知識的新一代工作者。”

Stiesdal 與中國風(fēng)電行業(yè)頗有淵源，曾多次到中國參加風(fēng)電會議，積極分享自己的從業(yè)經(jīng)歷和研究成果，他的真知灼見給了業(yè)界很多啟發(fā)。

早在2019 年的全球海上風(fēng)電發(fā)展大會上，他就對中國海上風(fēng)電發(fā)展給予了肯定，“中國擁有巨大的潛力，這里有著眾多優(yōu)秀的供應(yīng)商，政府對海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也很重視，各方的支持為海上風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展奠定了扎實基礎(chǔ)。相信在未來幾十年內(nèi)，海上風(fēng)電將成為世界上部分地區(qū)主要的電力來源。”

CWP 2023邀請Henrik Stiesdal作為中外風(fēng)電產(chǎn)業(yè)先行者之一，向其致敬與致謝。在CWP 2023開幕式“風(fēng)起五十年”主題論壇上，Henrik Stiesdal講述了其作為Bonus風(fēng)電機組技術(shù)負責(zé)人參與中國達坂城風(fēng)電場建設(shè)的故事2023 年，Stiesdal在參加2023北京國際風(fēng)能大會暨展覽會（CWP2023）期間表示，風(fēng)電機組需要更加智能，而不是一味追求大型化。“就像其他產(chǎn)業(yè)在出現(xiàn)指數(shù)級增長后，最終會觸碰到‘天花板’一樣，如大型客機、油罐車等，因為無法收回成本而停止。這不是一個技術(shù)問題，而是成本問題。”

Andrew Garrad（左）和Henrik Stiesdel 在2024伊麗莎白女王工程獎活動現(xiàn)場2024 年年初，Stiesdal和AndrewGarrad 共同被授予伊麗莎白女王工程獎，以表彰他們在高性能風(fēng)電機組設(shè)計、制造和安裝方面取得的成就。他們的技術(shù)創(chuàng)新工作使風(fēng)電為全球發(fā)電作出了重大貢獻，并給全球能源結(jié)構(gòu)多樣化帶來了變革性影響。該獎項的評選標準是對公眾有切實和廣泛利益的工程進步，每屆僅選擇一類研究領(lǐng)域。風(fēng)電領(lǐng)域首次獲此殊榮，也代表著風(fēng)電作為最成熟的可再生能源之一，獲得了來自全球?qū)I(yè)機構(gòu)與專家的認可。

“保持思想開放和積極心態(tài)，質(zhì)疑任何看起來不對的事情，享受與有著共同目標的風(fēng)電專業(yè)人員一起，為更好的生活質(zhì)量、更健康的生態(tài)環(huán)境作貢獻的樂趣。”在結(jié)束記者專訪前，Stiesdal給出了這樣的建議。