全球各地的风力涡轮机都在不断加高，以便捕获更多能量，因为高处的风力更强。
但要建造更高的塔并不容易，有时甚至在经济上不可行；塔体直径受到运输条件限制，施工成本也很高。
如今， Keystone Tower Systems ——该公司由 Eric Smith ’01、SM ’07、Rosalind Takata ’00、SM ’06，以及麻省理工学院帕帕拉多机械工程教授 Alexander Slocum 共同创立——正在开发一种新系统，将传统制管技术改造用于风电场现场制造风力涡轮机，从而使建造更高的塔在经济上更可行。
Keystone 的系统是对螺旋焊接工艺的改造，这种工艺数十年来一直用于制造大型管道。在这一工艺中，钢板从机器的一侧送入，随后不断卷成螺旋形，同时将边缘焊接在一起，形成管道——有点像巨型纸巾筒。
Keystone 的系统由 Smith、Takata 和 Slocum 开发，工程师团队也参与其中，包括 Daniel Bridgers SM ’12 和 Dan Ainge ’12。该系统可以将钢卷制成锥形，并采用不同厚度的钢材，从而制造 锥形塔。系统自动化程度很高，所需劳动力约为传统施工的十分之一；它还以钢材建造整座塔，而不是使用混凝土。Keystone 首席执行官 Smith 说：“这样建造高得多的塔，成本效益就会高得多。”
Smith 表示，借助 Keystone 的现场制造，制造商可以建造超过 400 英尺高的塔。如此高度的风力最多可强 50%，而且不会受到树木阻挡。Smith 说，例如，一座 460 英尺高的塔，与如今更常见的 260 英尺高的塔相比，能量捕获量可增加 10% 至 50%。
Smith 补充说：“这取决于具体地点。比如在中西部某些开阔平原、但没有树木的地方，你会看到一些收益，不过可能不会很大。但如果是在有树木覆盖的地方，比如缅因州——因为树木会减慢近地面的风速——同一台风力涡轮机的能量捕获量可能会增加 50%。”
解决运输难题
Keystone 系统的价值在于绕开长期困扰风电行业的风力涡轮机运输限制。塔体分段制造，再运往风电场组装。但塔体直径被限制在约 14 英尺，以便卡车能在公路上安全运输，并从桥下通过。
这意味着在美国，适用于 2 兆瓦或 3 兆瓦涡轮机的大多数塔高被限制在约 260 英尺。在欧洲，更高的塔（最高约 460 英尺）正逐渐普及，但这需要在结构或制造方面作出重大妥协：塔基采用非常厚的钢壁（需要额外使用 100 多吨钢材）；或者塔体下半部需要 1,000 多吨混凝土块；或者用许多钢构件拼装，并使用数千个螺栓。
Smith 解释说：“如果要设计一座 500 英尺高的塔来利用强风，根据风力作用在涡轮机上的力，塔基直径至少要有 20 英尺。但工厂里根本无法焊接出一座直径 20 英尺的塔，再把它运到风电场。”
因此，Keystone 会运来其移动式大型工业机器，以及供系统加工的梯形钢板。具体而言，这些钢板是尺寸逐渐增大的梯形板——先将较短的一边送入机器，最后送入最长的一边。（如果把所有钢板平铺并首尾相接，它们会形成渐开线螺旋。）将钢板边缘焊接起来，就能拼成锥形结构。这台机器每天大约能制造一座塔。
Smith 说，塔体直径可以任意设计。对于 450 英尺高、3 兆瓦的塔，塔基直径 20 英尺就足够了。（他说，即使只把直径增加几英尺，也能让塔体强度几乎翻倍，以承受应力。）
Smith 将这一工艺比作如今在家安装雨水槽：专业人员开车到住宅，将铝卷送入专用机器的一端，由机器把金属加工成无缝雨水槽。他说：“这比购买一段段雨水槽再带回家组装要好。Keystone 的系统也是如此，只不过规模要大得多得多。”
Keystone 的背后
Smith 曾在麻省理工学院学习机械工程，以及电气工程与计算机科学。他在与 Slocum 一起独立研究风能问题时，构想出一种锥形螺旋焊接工艺。
从麻省理工学院毕业后，Smith 创办了一家机器设计咨询公司，为投资者审查风能及其他行业的初创企业和技术。大约五年前，随着风能行业迅速发展，风险投资家很快为 Smith、Slocum 和其他风能专家提供资金，让他们研究大型陆上风力涡轮机的成本节约机会。
例如，团队研究了开发先进传动系统控制技术和转子设计。“但在这项研究中，我们发现风塔运输是阻碍行业发展的最大瓶颈之一，”Smith 说。
在 Slocum 的帮助下，Smith 找到了操控螺旋焊接机器制造锥形管的方法。不久之后，他与 Slocum 共同设计了一台小型专利机器，并获得了美国能源部 100 万美元拨款。2010 年，Smith 和 Slocum 与 Rosalind Takata ’01、SM ’06 一起创立 Keystone，在马萨诸塞州萨默维尔进一步开发该系统。此后，公司总部迁至丹佛。
谈到创立 Keystone，Smith 将部分功劳归于麻省理工学院的 创业指导服务 （VMS）。该服务为初创公司的联合创始人提供建议，涵盖从早期公司组建到业务扩张的方方面面。Smith 至今仍会就如何克服常见的商业化障碍向 VMS 征求意见，例如如何获得并留住客户。
谈到 VMS，Smith 说：“它极具价值。创办早期阶段的公司时，会遇到许多不同的问题；有熟悉这些情况的顾问很有帮助。”
让全美各地都能利用风能
Keystone 目前正与东北大学和约翰斯·霍普金斯大学的结构工程师合作，对其系统制造的塔进行结构验证。过去一年里，这家初创公司一直在努力争取于 2015 年初在麻省米德尔顿、由麻省理工学院拥有的贝茨直线加速器中心部署一座小型原型塔（约六层楼高）。
但上个月，Keystone 又获得美国能源部 100 万美元拨款，用于设计完整的移动式生产线。目前，公司正与丹麦风力涡轮机制造商 Vestas Wind Systems 及其他涡轮机制造商合作，规划全面规模化生产，并筹集资金建造首台商业规模机器。
Smith 说，公司最初可能会进军德国和瑞典——这些地方更常建造较高的风塔，但采用的传统方法成本更高。他希望能在美国销售这套系统，因为美国仍以较矮的塔（约 260 英尺）为主。
他说，美国最早采用这项技术的地区，可能是风力强劲、树木覆盖也很密集的地方。例如在缅因州，由于树木会阻挡较矮风力涡轮机所需的风，目前只有该州一小部分地区适合在经济上开发风能。在中西部，风能的成本已经达到电网平价，甚至低于如今成本较低的天然气；但在新英格兰和东南部等地区，则需要更高的塔，才能触及强风，使风能开发在经济上可行。
Smith 说：“一旦达到我们所关注的高度，就真的能让全美各地都适合安装涡轮机，捕获大量能量。”
本文与 MIT News
合作发布。
作者：Robert Matheson 是 MIT News 的高级编辑助理
