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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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