新能源暨風(fēng)電發(fā)展的綜合評析
王樹然
提起“新能源”這個(gè)耳熟能詳?shù)拿~，是當(dāng)前發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的追求目標(biāo)。人們普遍將太陽能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉唇y(tǒng)稱為“新能源”。其實(shí)，這樣的稱呼不準(zhǔn)確，上述所有能源，我們的老祖先數(shù)千年來都在使用。比如：先輩們燒飯取暖用的柴火、木炭等，以及照明用的豆油，就是利用生物質(zhì)能；農(nóng)作物和食品的晾曬，是利用太陽能；水車抽水和水磨加工糧食，是利用水能；古代的主要運(yùn)輸工具帆船是利用風(fēng)能，抽水的風(fēng)車也是利用風(fēng)能，將糧食顆粒與碎屑分開還是利用風(fēng)能；唐代楊貴妃“溫泉水滑洗凝脂”，是利用地?zé)崮堋？梢�，“新能源”并不新�，F(xiàn)代主要能源煤炭、石油和天然氣，僅僅是工業(yè)革命后，隨著蒸氣機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，才逐步得到大規(guī)模地普及應(yīng)用，在人類文明發(fā)展史上，僅僅只有兩百多年的時(shí)間。當(dāng)這些礦物質(zhì)能源的使用，帶來了嚴(yán)重地環(huán)境污染和氣候?yàn)?zāi)難時(shí)，人們才猛然地驚醒，急切地尋找替代能源，反樸歸真地重新重視可再生能源的利用，反而將老祖先已經(jīng)使用了數(shù)千年的能源，冠上了“新能源”的頭銜�！ �
何謂新能源？嚴(yán)格定義應(yīng)當(dāng)是：低價(jià)可再生清潔能源。“低價(jià)”、“可再生”、“清潔”這三要素缺一不可。而現(xiàn)有的水力發(fā)電、太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，其實(shí)都不完全符合上述三要素。雖然水力發(fā)電成本相對較低，但存在投資高、建設(shè)周期長、對河流局部地質(zhì)環(huán)境影響大，還有潰壩風(fēng)險(xiǎn)等，并未真正達(dá)到生態(tài)環(huán)保和安全可靠的要求。至于太陽能發(fā)電，雖然對使用方來說是清潔能源，但對硅晶片生產(chǎn)制造方來說，卻存在著嚴(yán)重污染和巨大能耗；實(shí)質(zhì)是污染和能耗地點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，綜合衡量不能算是清潔能源。只有風(fēng)力發(fā)電，確實(shí)稱得上是可再生清潔能源，但目前的風(fēng)力發(fā)電還處在投資高、效率低、并網(wǎng)難的困境�！ �
根據(jù)上述分析，未來的水力發(fā)電，只有在改變大規(guī)模攔河筑壩的水能利用方式后，才能算是讓人滿意的新能源。太陽能發(fā)電，也只有在找到光電轉(zhuǎn)換效率高、成本造價(jià)低、生產(chǎn)過程無污染的新材料后，才能算是具有普及使用價(jià)值的清潔實(shí)用能源。風(fēng)力發(fā)電，必須在大力降低成本后，才能算是真正合格的新能源。比較之下，只有風(fēng)力發(fā)電前景最光明，為什么這樣說？因?yàn)樗Πl(fā)電資源有限，不僅要依賴大江大河，還受地理地質(zhì)條件限制。太陽能發(fā)電受陰云雨雪、季節(jié)、黑夜等眾多因素制約。只有風(fēng)力發(fā)電，適應(yīng)范圍廣、制約因素少、普及較方便，是最具有發(fā)展前途的可再生清潔能源。
回顧人類對風(fēng)能的利用，可以說歷史悠久，成效非凡。直到工業(yè)革命前的數(shù)千年間，風(fēng)能在人類的水運(yùn)和航海史上，曾經(jīng)發(fā)揮過至關(guān)重要的作用，可以說風(fēng)能促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。但現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電，對風(fēng)能利用的效率卻不如古代的帆船；因?yàn)楣糯姆徽擄L(fēng)大、風(fēng)小、順風(fēng)還是逆風(fēng)，都能日夜兼程地向前行；而現(xiàn)代的風(fēng)車，每年大多數(shù)時(shí)間都是處在無法運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況？這要從現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電的歷史說起，我們知道現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電靠的是風(fēng)車，也就是人們常見的三槳水平軸風(fēng)車。其實(shí)，風(fēng)車的最早用途并不是用來發(fā)電，而是用來抽水，不論是古代的中國，還是歐洲的荷蘭、丹麥等國家，最先都是將風(fēng)車用作抽水為主。不過中國古代采用的是垂直軸阻力型的帆式風(fēng)車，而歐洲國家采用的是水平軸升力型的槳式風(fēng)車。真是殊途同歸，為了同一個(gè)抽水目的，有風(fēng)就抽，無風(fēng)不抽，風(fēng)大多抽，風(fēng)小少抽，讓人們悠閑自得、極少煩神地使用了數(shù)百年。直到歐洲人率先將風(fēng)車用于發(fā)電時(shí)，人們才對風(fēng)車寄予了更大的厚望。出于加快風(fēng)車轉(zhuǎn)速，提高發(fā)電效率的目的，采取了減少槳葉數(shù)量、加大槳葉長度、縮小槳葉面積的辦法，竭力降低槳葉的阻力，增大槳葉的尖速比。增速后的風(fēng)車，果然達(dá)到了增加發(fā)電量的目的，卻付出了降低微風(fēng)性能和風(fēng)時(shí)利用率的代價(jià)。好在北歐國家海洋性氣候的風(fēng)速較大較穩(wěn)，這樣的改進(jìn)利大于弊。隨著風(fēng)車逐步向大型化和超大型化發(fā)展，受槳葉材料的限制，為了既增加槳葉的尖速比和掃風(fēng)面積，又減輕自身重量，只能把槳葉設(shè)計(jì)成更細(xì)更長的空心結(jié)構(gòu)，最終變成了“一根桿子三根針”的現(xiàn)代式樣�！ �
現(xiàn)在大量普及的三槳水平軸風(fēng)車，是西方人應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)原理，并參照直升飛機(jī)螺旋槳理論設(shè)計(jì)的。其原理是：依據(jù)伯努利方程，在流體流速變化界面兩端，流體的總能量守恒。將風(fēng)車槳葉的掃風(fēng)界面看作流體流速變化的界面，來進(jìn)行槳葉設(shè)計(jì)。這樣的理論在應(yīng)用于小型風(fēng)車設(shè)計(jì)時(shí)，由于小風(fēng)車的旋轉(zhuǎn)速度很高，依據(jù)該理論還有一些可參照性；但在應(yīng)用于大型風(fēng)車設(shè)計(jì)時(shí)，仍然用該理論作為設(shè)計(jì)依據(jù)，就明顯不合適了；因?yàn)榇笮惋L(fēng)車的旋轉(zhuǎn)速度很低，槳葉的掃風(fēng)界面，不能再被看作是流體流速變化的界面了。其實(shí)，飛機(jī)螺旋槳與風(fēng)車槳葉有著本質(zhì)的區(qū)別，因?yàn)轱w機(jī)螺旋槳是主動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，而風(fēng)車槳葉是被動(dòng)低速旋轉(zhuǎn)，兩者根本就是不同的概念，不應(yīng)該采用相同的設(shè)計(jì)理念。
至于西方人為什么會(huì)得出水平軸風(fēng)車效率高于垂直軸風(fēng)車的結(jié)論？應(yīng)該說是有實(shí)驗(yàn)依據(jù)的，早期的西方人肯定進(jìn)行過風(fēng)洞對比試驗(yàn)，而這樣的風(fēng)洞對比試驗(yàn)，很大可能采用的是小型風(fēng)車。由于小型風(fēng)車的轉(zhuǎn)速高，水平軸風(fēng)車槳葉在高轉(zhuǎn)速下，其截風(fēng)效能不僅不受影響，反而更有利，效率當(dāng)然高。而小型垂直軸風(fēng)車，在轉(zhuǎn)速相對較高的情況下，槳葉截風(fēng)效能隨轉(zhuǎn)速的提高而降低，逆風(fēng)側(cè)的阻力反而加大。況且，早期的小型風(fēng)機(jī)，普遍采用的是共軸直驅(qū)式電機(jī)，轉(zhuǎn)速高的水平軸風(fēng)車明顯占優(yōu)勢；可想，在這樣的早期對比試驗(yàn)中，難免會(huì)得出水平軸風(fēng)車效率高于垂直軸風(fēng)車的結(jié)論�！ �
我們知道：西方人辦事很嚴(yán)謹(jǐn)，有時(shí)又太刻板，思維常受理論束縛。豈不知：即使早期的理論沒錯(cuò)，后來的情況發(fā)生了變化。隨著風(fēng)車逐步大型化和超大型化，其旋轉(zhuǎn)速度越來越低，水平軸風(fēng)車的優(yōu)點(diǎn)在大型風(fēng)車上表現(xiàn)弱化，弊端反而強(qiáng)化。而大型垂直軸風(fēng)車由于轉(zhuǎn)速很低，原有的弊端和不足反而明顯弱化。所以，我們不能用西方的風(fēng)電理論和早期驗(yàn)證結(jié)論，盲目否定大型垂直軸風(fēng)車的應(yīng)用前景�！ �
受風(fēng)面積越大，獲取風(fēng)能越多，這是盡人皆知的基本常識(shí)。不論是古代的帆船，還是現(xiàn)代的滑翔機(jī)，都是靠加大受風(fēng)面積來獲取更多風(fēng)能。而“一根桿子三根針”的現(xiàn)代風(fēng)車，卻是靠緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的細(xì)長槳葉來獲取風(fēng)能，從直觀上看就令人心生疑竇。但為什么這樣的基本常識(shí)，在現(xiàn)代風(fēng)車設(shè)計(jì)理論面前，顯得蒼白無力？是因?yàn)槿藗儽粰?quán)威的空氣動(dòng)力學(xué)理論所震懾，盲目相信這樣的設(shè)計(jì)有道理，以為不管這“三根針”有多細(xì)，只要槳葉的掃風(fēng)面積巨大，就會(huì)像理論計(jì)算的那樣高效獲得風(fēng)能。豈不知，空氣動(dòng)力學(xué)理論，是用來對流體中高速運(yùn)動(dòng)的物體，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。盡管風(fēng)車槳葉的外形設(shè)計(jì)非常符合空氣動(dòng)力學(xué)要求，但用在低風(fēng)速、慢轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，還是難以發(fā)揮出應(yīng)有的效能。事實(shí)證明：理論與實(shí)際脫節(jié)，再權(quán)威的理論用錯(cuò)了地方，也不會(huì)產(chǎn)生出理想的效果。就像在鐵路上行駛的高速動(dòng)車，其外形有必要按空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；而對于普通列車，進(jìn)行這樣的設(shè)計(jì)就是畫蛇添足、勞而無功�？磥恚挥心切⿲ξ鞣斤L(fēng)電理論執(zhí)迷不悟的人，才會(huì)相信這樣自欺欺人的“神話”！
盡管現(xiàn)在三槳水平軸風(fēng)車得到了普及，技術(shù)也相對成熟，但我們不能因?yàn)槲鞣饺艘苍谑褂迷擄L(fēng)車，就不加分析地認(rèn)為這就是最佳設(shè)計(jì)。其實(shí)，這種與風(fēng)向垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉，僅僅利用了有限的升力，卻損失了更大的軸向阻力，不僅槳葉自身受風(fēng)面積太小，而且升力型槳葉對風(fēng)向擾動(dòng)和空氣渦流十分敏感，風(fēng)機(jī)之間必須保持足夠大的距離，才能避免相互干擾，這就大大降低了風(fēng)車安裝密度和風(fēng)電場地的利用率，造成了大量風(fēng)能資源無法利用。并且，這種風(fēng)車在風(fēng)大和風(fēng)小時(shí)都不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，年風(fēng)時(shí)利用率不足25%，每年的大多數(shù)時(shí)間成為擺設(shè)。這種狀況，既有風(fēng)車設(shè)計(jì)自身的原因，也有我國平均風(fēng)速較低，達(dá)不到西方原設(shè)計(jì)要求的原因�？傊�，“一根桿子三根針”式的風(fēng)車不符合中國國情，其大量普及，是對現(xiàn)有風(fēng)能資源，特別是優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源的極大損失和浪費(fèi)！更是風(fēng)電行業(yè)的悲哀！這種盲目跟蹤西方風(fēng)電技術(shù)的做法，造成了投資高、效率低、并網(wǎng)難、風(fēng)能資源浪費(fèi)大的狀況，必須盡快扭轉(zhuǎn)！
在國家大力扶持新能源發(fā)展的補(bǔ)貼政策鼓勵(lì)下，激發(fā)了人們對風(fēng)電的投資熱情和沖動(dòng)。當(dāng)然，國家鼓勵(lì)新能源發(fā)展的本意沒有錯(cuò)，西方國家也對風(fēng)電實(shí)施補(bǔ)貼政策。在國家補(bǔ)貼政策的鼓勵(lì)下，很多風(fēng)電企業(yè)和地方政府，都是在眼前利益上盲目參與風(fēng)電競爭，特別是一些大型央企為了爭奪火電配額，不惜賠本也要參與風(fēng)電競爭，跑馬圈地和跑馬圈海的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生�？梢�，補(bǔ)貼政策的實(shí)施，雖然促進(jìn)了風(fēng)電發(fā)展的突飛猛進(jìn)！卻掩蓋了后續(xù)危機(jī)，削弱了風(fēng)電創(chuàng)新的意愿和動(dòng)力。按我國目前的風(fēng)電發(fā)展速度，很快就會(huì)令國家財(cái)政不堪重負(fù)。而且，這樣的無序競爭，不僅會(huì)將優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源迅速消耗殆盡！還可能造成大批風(fēng)電企業(yè)破產(chǎn)倒閉！最后的爛攤子還得政府出面收拾�！ �
人無遠(yuǎn)慮，必有近憂。我們不能只看到風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá)到世界第二，更要看到風(fēng)電投資的實(shí)際效益和存在的問題。按照現(xiàn)有風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r，陸上風(fēng)電投資收回成本至少需要八到十年甚至十多年，海上風(fēng)電投資收回成本更需要十多年到二十年，這還得靠國家政策的補(bǔ)貼；否則，可能設(shè)備報(bào)廢時(shí)也難以收回成本。可是，不管中國人能否收回成本？國外核心技術(shù)轉(zhuǎn)讓和關(guān)鍵設(shè)備銷售的利潤早就揣上了腰包。許多缺乏自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電制造企業(yè)，其實(shí)就是在為洋人打工�！ �
目前，很多人知道，這樣的局面不可能長期維持下去，要使風(fēng)電能夠持續(xù)發(fā)展，長遠(yuǎn)發(fā)展，必須要進(jìn)行重大改革和技術(shù)創(chuàng)新！雖然國內(nèi)的相關(guān)風(fēng)電發(fā)明，已經(jīng)為風(fēng)電發(fā)展點(diǎn)亮了希望的曙光！但多數(shù)風(fēng)電企業(yè)仍在迷信西方的成熟技術(shù)、難舍投入的巨額資本、看重眼前的既得利益、怕?lián)鷦?chuàng)新的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等等心態(tài)困擾下，求穩(wěn)不求變，對重大創(chuàng)新發(fā)明往往是不屑一顧或疑慮萬千。多年的習(xí)慣養(yǎng)成了唯有西方的月亮最圓，只要看到西方國家還在使用三槳水平軸風(fēng)車，就自認(rèn)為可以高枕無憂，只希望通過購買技術(shù)或自我小改小革，來提高現(xiàn)有風(fēng)車的效率�！ �
其實(shí)，西方的風(fēng)電技術(shù)，是在發(fā)展理論和發(fā)展方向上存在致命錯(cuò)誤！所以，我們不可能通過常規(guī)化的改進(jìn)，就能扭轉(zhuǎn)“一根桿子三根針”風(fēng)車在原理結(jié)構(gòu)方面的弊端和不足。目前，三槳水平軸風(fēng)車的潛力已經(jīng)挖盡，很難再有大的突破！風(fēng)電發(fā)展主要還得靠垂直軸風(fēng)車的創(chuàng)新，今后誰先涉足誰將先得益！試想：古代的先輩們根本不懂空氣動(dòng)力學(xué)理論，卻能船行八面風(fēng)，駕輕就熟地?fù)P帆在江河湖海，其利用風(fēng)能的效率之高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)代風(fēng)車，這難道不讓風(fēng)電專家們汗顏嗎？所以，我們沒有必要迷信西方的風(fēng)電技術(shù)，盡管西方的技術(shù)是成熟的，但不一定是最好的、最實(shí)用的！我們要敢于打破西方的風(fēng)電“神話”，摒棄現(xiàn)有的風(fēng)電發(fā)展模式，按照胡錦濤總書記的要求“搶抓世界新一輪能源革命先機(jī)”，開創(chuàng)中國式的風(fēng)電之路！
現(xiàn)代的水平軸風(fēng)車，是西方人在古典歐式風(fēng)車基礎(chǔ)上的繼承和發(fā)揚(yáng)，效果并不理想。那我們中國人，更應(yīng)該對東方特色的垂直軸風(fēng)車?yán)^承和創(chuàng)新，沒有必要盲目效仿別人的做法。我們不妨避開西方的風(fēng)電理論，換一個(gè)思路來考慮：既然垂直軸阻力型風(fēng)車具有受風(fēng)面積大、旋轉(zhuǎn)速度低、微風(fēng)性能好、受氣流擾動(dòng)影響小的特點(diǎn)，并且這些特點(diǎn)在大型風(fēng)車上表現(xiàn)更加突出。那么，我們只需讓槳葉增加風(fēng)載智能調(diào)節(jié)功能，就會(huì)獲得更高的風(fēng)時(shí)利用率；并可加大風(fēng)車安裝密度，提高風(fēng)電場地利用率；不僅可以增強(qiáng)風(fēng)電場的規(guī)模效應(yīng)，也更有利于設(shè)備的集中維護(hù)管理。
現(xiàn)有適合大型風(fēng)電場使用的最新發(fā)明“雙側(cè)風(fēng)能全利用豎直風(fēng)車”，其面積巨大的阻力型槳葉，有風(fēng)載自我調(diào)節(jié)功能，可在微風(fēng)或大風(fēng)狀態(tài)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，具有較高的風(fēng)時(shí)利用率；該風(fēng)車不僅幾乎消除槳葉的逆風(fēng)阻力，還能同時(shí)利用雙側(cè)風(fēng)能，使效能倍增，讓風(fēng)電成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火電；如果與工業(yè)電解水制氫技術(shù)配套，有可能解決風(fēng)電儲(chǔ)能和并網(wǎng)難題；另外，由于該風(fēng)車是轉(zhuǎn)速很慢的大型阻力型風(fēng)車，受氣流擾動(dòng)影響較小，可以提高風(fēng)車安裝密度和風(fēng)電場地的利用率，其總體投資、運(yùn)行和維護(hù)成本，不會(huì)高于現(xiàn)有大型風(fēng)車。這項(xiàng)中國人自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)明，有可能讓我們擺脫對西方風(fēng)電技術(shù)的依賴，是當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)可選方向�！ �
根據(jù)中國國情，任何行業(yè)的重大變革和創(chuàng)新沒有政府的強(qiáng)力介入和支持，必然步履艱難。風(fēng)電行業(yè)也同樣如此，風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)大、投資高，單靠企業(yè)有相當(dāng)難度。所以，風(fēng)電重大發(fā)明的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，最好能由政府出面承擔(dān)。畢竟國家每年對風(fēng)電的補(bǔ)貼數(shù)額巨大，只要拿出很少部分用于新技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新，就能取得事半功倍的效果�！ �
我國的風(fēng)電發(fā)展正處在一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折期，如何盡快突破制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源高效低成本地開發(fā)利用，既是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，也是新能源開發(fā)中，最有可能迅速取得成效的突破口。只要我們果斷拋棄傳統(tǒng)的定勢思維，大膽創(chuàng)新、科學(xué)創(chuàng)新，相信在國家政策的大力扶持下，一定會(huì)走出中國式的風(fēng)電創(chuàng)新之路！迎來風(fēng)電行業(yè)“柳暗花明又一春”的美好前景。
注：作者聯(lián)系方式：郵箱：njwsr@163.com 手機(jī)：13951675217
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