新能源暨风电发展的综合评析

王树然

提起“新能源”这个耳熟能详的名词，是当前发展低碳经济的追求目标。人们普遍将太阳能、水能、风能、生物质能、地热能等可再生能源统称为“新能源”。其实，这样的称呼不准确，上述所有能源，我们的老祖先数千年来都在使用。比如：先辈们烧饭取暖用的柴火、木炭等，以及照明用的豆油，就是利用生物质能；农作物和食品的晾晒，是利用太阳能；水车抽水和水磨加工粮食，是利用水能；古代的主要运输工具帆船是利用风能，抽水的风车也是利用风能，将粮食颗粒与碎屑分开还是利用风能；唐代杨贵妃“温泉水滑洗凝脂”，是利用地热能。可见，“新能源”并不新。现代主要能源煤炭、石油和天然气，仅仅是工业革命后，随着蒸气机和内燃机的发明，才逐步得到大规模地普及应用，在人类文明发展史上，仅仅只有两百多年的时间。当这些矿物质能源的使用，带来了严重地环境污染和气候灾难时，人们才猛然地惊醒，急切地寻找替代能源，反朴归真地重新重视可再生能源的利用，反而将老祖先已经使用了数千年的能源，冠上了“新能源”的头衔。　　　　

何谓新能源？严格定义应当是：低价可再生清洁能源。“低价”、“可再生”、“清洁”这三要素缺一不可。而现有的水力发电、太阳能发电和风力发电，其实都不完全符合上述三要素。虽然水力发电成本相对较低，但存在投资高、建设周期长、对河流局部地质环境影响大，还有溃坝风险等，并未真正达到生态环保和安全可靠的要求。至于太阳能发电，虽然对使用方来说是清洁能源，但对硅晶片生产制造方来说，却存在着严重污染和巨大能耗；实质是污染和能耗地点的转移，综合衡量不能算是清洁能源。只有风力发电，确实称得上是可再生清洁能源，但目前的风力发电还处在投资高、效率低、并网难的困境。　　　　

根据上述分析，未来的水力发电，只有在改变大规模拦河筑坝的水能利用方式后，才能算是让人满意的新能源。太阳能发电，也只有在找到光电转换效率高、成本造价低、生产过程无污染的新材料后，才能算是具有普及使用价值的清洁实用能源。风力发电，必须在大力降低成本后，才能算是真正合格的新能源。比较之下，只有风力发电前景最光明，为什么这样说？因为水力发电资源有限，不仅要依赖大江大河，还受地理地质条件限制。太阳能发电受阴云雨雪、季节、黑夜等众多因素制约。只有风力发电，适应范围广、制约因素少、普及较方便，是最具有发展前途的可再生清洁能源。　　　　

回顾人类对风能的利用，可以说历史悠久，成效非凡。直到工业革命前的数千年间，风能在人类的水运和航海史上，曾经发挥过至关重要的作用，可以说风能促进了人类社会的发展和进步。但现代的风力发电，对风能利用的效率却不如古代的帆船；因为古代的帆船不论风大、风小、顺风还是逆风，都能日夜兼程地向前行；而现代的风车，每年大多数时间都是处在无法运转状态。为什么会出现这样的情况？这要从现代风力发电的历史说起，我们知道现代的风力发电靠的是风车，也就是人们常见的三桨水平轴风车。其实，风车的最早用途并不是用来发电，而是用来抽水，不论是古代的中国，还是欧洲的荷兰、丹麦等国家，最先都是将风车用作抽水为主。不过中国古代采用的是垂直轴阻力型的帆式风车，而欧洲国家采用的是水平轴升力型的桨式风车。真是殊途同归，为了同一个抽水目的，有风就抽，无风不抽，风大多抽，风小少抽，让人们悠闲自得、极少烦神地使用了数百年。直到欧洲人率先将风车用于发电时，人们才对风车寄予了更大的厚望。出于加快风车转速，提高发电效率的目的，采取了减少桨叶数量、加大桨叶长度、缩小桨叶面积的办法，竭力降低桨叶的阻力，增大桨叶的尖速比。增速后的风车，果然达到了增加发电量的目的，却付出了降低微风性能和风时利用率的代价。好在北欧国家海洋性气候的风速较大较稳，这样的改进利大于弊。随着风车逐步向大型化和超大型化发展，受桨叶材料的限制，为了既增加桨叶的尖速比和扫风面积，又减轻自身重量，只能把桨叶设计成更细更长的空心结构，最终变成了“一根杆子三根针”的现代式样。　　　　

现在大量普及的三桨水平轴风车，是西方人应用空气动力学原理，并参照直升飞机螺旋桨理论设计的。其原理是：依据伯努利方程，在流体流速变化界面两端，流体的总能量守恒。将风车桨叶的扫风界面看作流体流速变化的界面，来进行桨叶设计。这样的理论在应用于小型风车设计时，由于小风车的旋转速度很高，依据该理论还有一些可参照性；但在应用于大型风车设计时，仍然用该理论作为设计依据，就明显不合适了；因为大型风车的旋转速度很低，桨叶的扫风界面，不能再被看作是流体流速变化的界面了。其实，飞机螺旋桨与风车桨叶有着本质的区别，因为飞机螺旋桨是主动高速旋转，而风车桨叶是被动低速旋转，两者根本就是不同的概念，不应该采用相同的设计理念。　　　　

至于西方人为什么会得出水平轴风车效率高于垂直轴风车的结论？应该说是有实验依据的，早期的西方人肯定进行过风洞对比试验，而这样的风洞对比试验，很大可能采用的是小型风车。由于小型风车的转速高，水平轴风车桨叶在高转速下，其截风效能不仅不受影响，反而更有利，效率当然高。而小型垂直轴风车，在转速相对较高的情况下，桨叶截风效能随转速的提高而降低，逆风侧的阻力反而加大。况且，早期的小型风机，普遍采用的是共轴直驱式电机，转速高的水平轴风车明显占优势；可想，在这样的早期对比试验中，难免会得出水平轴风车效率高于垂直轴风车的结论。　　　　

我们知道：西方人办事很严谨，有时又太刻板，思维常受理论束缚。岂不知：即使早期的理论没错，后来的情况发生了变化。随着风车逐步大型化和超大型化，其旋转速度越来越低，水平轴风车的优点在大型风车上表现弱化，弊端反而强化。而大型垂直轴风车由于转速很低，原有的弊端和不足反而明显弱化。所以，我们不能用西方的风电理论和早期验证结论，盲目否定大型垂直轴风车的应用前景。　　　　

受风面积越大，获取风能越多，这是尽人皆知的基本常识。不论是古代的帆船，还是现代的滑翔机，都是靠加大受风面积来获取更多风能。而“一根杆子三根针”的现代风车，却是靠缓慢转动的细长桨叶来获取风能，从直观上看就令人心生疑窦。但为什么这样的基本常识，在现代风车设计理论面前，显得苍白无力？是因为人们被权威的空气动力学理论所震慑，盲目相信这样的设计有道理，以为不管这“三根针”有多细，只要桨叶的扫风面积巨大，就会像理论计算的那样高效获得风能。岂不知，空气动力学理论，是用来对流体中高速运动的物体，进行结构受力分析。尽管风车桨叶的外形设计非常符合空气动力学要求，但用在低风速、慢转动的情况下，还是难以发挥出应有的效能。事实证明：理论与实际脱节，再权威的理论用错了地方，也不会产生出理想的效果。就像在铁路上行驶的高速动车，其外形有必要按空气动力学结构进行设计；而对于普通列车，进行这样的设计就是画蛇添足、劳而无功。看来，只有那些对西方风电理论执迷不悟的人，才会相信这样自欺欺人的“神话”！　　　　

尽管现在三桨水平轴风车得到了普及，技术也相对成熟，但我们不能因为西方人也在使用该风车，就不加分析地认为这就是最佳设计。其实，这种与风向垂直转动的桨叶，仅仅利用了有限的升力，却损失了更大的轴向阻力，不仅桨叶自身受风面积太小，而且升力型桨叶对风向扰动和空气涡流十分敏感，风机之间必须保持足够大的距离，才能避免相互干扰，这就大大降低了风车安装密度和风电场地的利用率，造成了大量风能资源无法利用。并且，这种风车在风大和风小时都不能正常运转，年风时利用率不足25%，每年的大多数时间成为摆设。这种状况，既有风车设计自身的原因，也有我国平均风速较低，达不到西方原设计要求的原因。总之，“一根杆子三根针”式的风车不符合中国国情，其大量普及，是对现有风能资源，特别是优质风能资源的极大损失和浪费！更是风电行业的悲哀！这种盲目跟踪西方风电技术的做法，造成了投资高、效率低、并网难、风能资源浪费大的状况，必须尽快扭转！　　　　

在国家大力扶持新能源发展的补贴政策鼓励下，激发了人们对风电的投资热情和冲动。当然，国家鼓励新能源发展的本意没有错，西方国家也对风电实施补贴政策。在国家补贴政策的鼓励下，很多风电企业和地方政府，都是在眼前利益上盲目参与风电竞争，特别是一些大型央企为了争夺火电配额，不惜赔本也要参与风电竞争，跑马圈地和跑马圈海的现象时有发生。可见，补贴政策的实施，虽然促进了风电发展的突飞猛进！却掩盖了后续危机，削弱了风电创新的意愿和动力。按我国目前的风电发展速度，很快就会令国家财政不堪重负。而且，这样的无序竞争，不仅会将优质风能资源迅速消耗殆尽！还可能造成大批风电企业破产倒闭！最后的烂摊子还得政府出面收拾。　　　　

人无远虑，必有近忧。我们不能只看到风电装机总量达到世界第二，更要看到风电投资的实际效益和存在的问题。按照现有风电发展状况，陆上风电投资收回成本至少需要八到十年甚至十多年，海上风电投资收回成本更需要十多年到二十年，这还得靠国家政策的补贴；否则，可能设备报废时也难以收回成本。可是，不管中国人能否收回成本？国外核心技术转让和关键设备销售的利润早就揣上了腰包。许多缺乏自有知识产权的风电制造企业，其实就是在为洋人打工。　　　　

目前，很多人知道，这样的局面不可能长期维持下去，要使风电能够持续发展，长远发展，必须要进行重大改革和技术创新！虽然国内的相关风电发明，已经为风电发展点亮了希望的曙光！但多数风电企业仍在迷信西方的成熟技术、难舍投入的巨额资本、看重眼前的既得利益、怕担创新的研发风险等等心态困扰下，求稳不求变，对重大创新发明往往是不屑一顾或疑虑万千。多年的习惯养成了唯有西方的月亮最圆，只要看到西方国家还在使用三桨水平轴风车，就自认为可以高枕无忧，只希望通过购买技术或自我小改小革，来提高现有风车的效率。　　　　

其实，西方的风电技术，是在发展理论和发展方向上存在致命错误！所以，我们不可能通过常规化的改进，就能扭转“一根杆子三根针”风车在原理结构方面的弊端和不足。目前，三桨水平轴风车的潜力已经挖尽，很难再有大的突破！风电发展主要还得靠垂直轴风车的创新，今后谁先涉足谁将先得益！试想：古代的先辈们根本不懂空气动力学理论，却能船行八面风，驾轻就熟地扬帆在江河湖海，其利用风能的效率之高，远远超过现代风车，这难道不让风电专家们汗颜吗？所以，我们没有必要迷信西方的风电技术，尽管西方的技术是成熟的，但不一定是最好的、最实用的！我们要敢于打破西方的风电“神话”，摒弃现有的风电发展模式，按照胡锦涛总书记的要求“抢抓世界新一轮能源革命先机”，开创中国式的风电之路！　　　　

现代的水平轴风车，是西方人在古典欧式风车基础上的继承和发扬，效果并不理想。那我们中国人，更应该对东方特色的垂直轴风车继承和创新，没有必要盲目效仿别人的做法。我们不妨避开西方的风电理论，换一个思路来考虑：既然垂直轴阻力型风车具有受风面积大、旋转速度低、微风性能好、受气流扰动影响小的特点，并且这些特点在大型风车上表现更加突出。那么，我们只需让桨叶增加风载智能调节功能，就会获得更高的风时利用率；并可加大风车安装密度，提高风电场地利用率；不仅可以增强风电场的规模效应，也更有利于设备的集中维护管理。　　　　

现有适合大型风电场使用的最新发明“双侧风能全利用竖直风车”，其面积巨大的阻力型桨叶，有风载自我调节功能，可在微风或大风状态下正常运转，具有较高的风时利用率；该风车不仅几乎消除桨叶的逆风阻力，还能同时利用双侧风能，使效能倍增，让风电成本远远低于火电；如果与工业电解水制氢技术配套，有可能解决风电储能和并网难题；另外，由于该风车是转速很慢的大型阻力型风车，受气流扰动影响较小，可以提高风车安装密度和风电场地的利用率，其总体投资、运行和维护成本，不会高于现有大型风车。这项中国人自有知识产权的发明，有可能让我们摆脱对西方风电技术的依赖，是当前风电发展的一个可选方向。　　　　

根据中国国情，任何行业的重大变革和创新没有政府的强力介入和支持，必然步履艰难。风电行业也同样如此，风电技术创新的风险大、投资高，单靠企业有相当难度。所以，风电重大发明的研发风险，最好能由政府出面承担。毕竟国家每年对风电的补贴数额巨大，只要拿出很少部分用于新技术的研发创新，就能取得事半功倍的效果。　　　　

我国的风电发展正处在一个关键的转折期，如何尽快突破制约风电发展的瓶颈，实现风能资源高效低成本地开发利用，既是低碳经济发展目标，也是新能源开发中，最有可能迅速取得成效的突破口。只要我们果断抛弃传统的定势思维，大胆创新、科学创新，相信在国家政策的大力扶持下，一定会走出中国式的风电创新之路！迎来风电行业“柳暗花明又一春”的美好前景。

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