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            新能源暨風電發展的綜合評析

            王樹然

            提起“新能源”這個耳熟能詳的名詞,是當前發展低碳經濟的追求目標。人們普遍將太陽能、水能、風能、生物質能、地熱能等可再生能源統稱為“新能源”。其實,這樣的稱呼不準確,上述所有能源,我們的老祖先數千年來都在使用。比如:先輩們燒飯取暖用的柴火、木炭等,以及照明用的豆油,就是利用生物質能;農作物和食品的晾曬,是利用太陽能;水車抽水和水磨加工糧食,是利用水能;古代的主要運輸工具帆船是利用風能,抽水的風車也是利用風能,將糧食顆粒與碎屑分開還是利用風能;唐代楊貴妃“溫泉水滑洗凝脂”,是利用地熱能。可見,“新能源”并不新。現代主要能源煤炭、石油和天然氣,僅僅是工業革命后,隨著蒸氣機和內燃機的發明,才逐步得到大規模地普及應用,在人類文明發展史上,僅僅只有兩百多年的時間。當這些礦物質能源的使用,帶來了嚴重地環境污染和氣候災難時,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,反而將老祖先已經使用了數千年的能源,冠上了“新能源”的頭銜。    

            何謂新能源?嚴格定義應當是:低價可再生清潔能源。“低價”、“可再生”、“清潔”這三要素缺一不可。而現有的水力發電、太陽能發電和風力發電,其實都不完全符合上述三要素。雖然水力發電成本相對較低,但存在投資高、建設周期長、對河流局部地質環境影響大,還有潰壩風險等,并未真正達到生態環保和安全可靠的要求。至于太陽能發電,雖然對使用方來說是清潔能源,但對硅晶片生產制造方來說,卻存在著嚴重污染和巨大能耗;實質是污染和能耗地點的轉移,綜合衡量不能算是清潔能源。只有風力發電,確實稱得上是可再生清潔能源,但目前的風力發電還處在投資高、效率低、并網難的困境。    

            根據上述分析,未來的水力發電,只有在改變大規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。太陽能發電,也只有在找到光電轉換效率高、成本造價低、生產過程無污染的新材料后,才能算是具有普及使用價值的清潔實用能源。風力發電,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,只有風力發電前景最光明,為什么這樣說?因為水力發電資源有限,不僅要依賴大江大河,還受地理地質條件限制。太陽能發電受陰云雨雪、季節、黑夜等眾多因素制約。只有風力發電,適應范圍廣、制約因素少、普及較方便,是最具有發展前途的可再生清潔能源。    

            回顧人類對風能的利用,可以說歷史悠久,成效非凡。直到工業革命前的數千年間,風能在人類的水運和航海史上,曾經發揮過至關重要的作用,可以說風能促進了人類社會的發展和進步。但現代的風力發電,對風能利用的效率卻不如古代的帆船;因為古代的帆船不論風大、風小、順風還是逆風,都能日夜兼程地向前行;而現代的風車,每年大多數時間都是處在無法運轉狀態。為什么會出現這樣的情況?這要從現代風力發電的歷史說起,我們知道現代的風力發電靠的是風車,也就是人們常見的三槳水平軸風車。其實,風車的最早用途并不是用來發電,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車,而歐洲國家采用的是水平軸升力型的槳式風車。真是殊途同歸,為了同一個抽水目的,有風就抽,無風不抽,風大多抽,風小少抽,讓人們悠閑自得、極少煩神地使用了數百年。直到歐洲人率先將風車用于發電時,人們才對風車寄予了更大的厚望。出于加快風車轉速,提高發電效率的目的,采取了減少槳葉數量、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。增速后的風車,果然達到了增加發電量的目的,卻付出了降低微風性能和風時利用率的代價。好在北歐國家海洋性氣候的風速較大較穩,這樣的改進利大于弊。隨著風車逐步向大型化和超大型化發展,受槳葉材料的限制,為了既增加槳葉的尖速比和掃風面積,又減輕自身重量,只能把槳葉設計成更細更長的空心結構,最終變成了“一根桿子三根針”的現代式樣。    

            現在大量普及的三槳水平軸風車,是西方人應用空氣動力學原理,并參照直升飛機螺旋槳理論設計的。其原理是:依據伯努利方程,在流體流速變化界面兩端,流體的總能量守恒。將風車槳葉的掃風界面看作流體流速變化的界面,來進行槳葉設計。這樣的理論在應用于小型風車設計時,由于小風車的旋轉速度很高,依據該理論還有一些可參照性;但在應用于大型風車設計時,仍然用該理論作為設計依據,就明顯不合適了;因為大型風車的旋轉速度很低,槳葉的掃風界面,不能再被看作是流體流速變化的界面了。其實,飛機螺旋槳與風車槳葉有著本質的區別,因為飛機螺旋槳是主動高速旋轉,而風車槳葉是被動低速旋轉,兩者根本就是不同的概念,不應該采用相同的設計理念。    

            至于西方人為什么會得出水平軸風車效率高于垂直軸風車的結論?應該說是有實驗依據的,早期的西方人肯定進行過風洞對比試驗,而這樣的風洞對比試驗,很大可能采用的是小型風車。由于小型風車的轉速高,水平軸風車槳葉在高轉速下,其截風效能不僅不受影響,反而更有利,效率當然高。而小型垂直軸風車,在轉速相對較高的情況下,槳葉截風效能隨轉速的提高而降低,逆風側的阻力反而加大。況且,早期的小型風機,普遍采用的是共軸直驅式電機,轉速高的水平軸風車明顯占優勢;可想,在這樣的早期對比試驗中,難免會得出水平軸風車效率高于垂直軸風車的結論。    

            我們知道:西方人辦事很嚴謹,有時又太刻板,思維常受理論束縛。豈不知:即使早期的理論沒錯,后來的情況發生了變化。隨著風車逐步大型化和超大型化,其旋轉速度越來越低,水平軸風車的優點在大型風車上表現弱化,弊端反而強化。而大型垂直軸風車由于轉速很低,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電理論和早期驗證結論,盲目否定大型垂直軸風車的應用前景。    

            受風面積越大,獲取風能越多,這是盡人皆知的基本常識。不論是古代的帆船,還是現代的滑翔機,都是靠加大受風面積來獲取更多風能。而“一根桿子三根針”的現代風車,卻是靠緩慢轉動的細長槳葉來獲取風能,從直觀上看就令人心生疑竇。但為什么這樣的基本常識,在現代風車設計理論面前,顯得蒼白無力?是因為人們被權威的空氣動力學理論所震懾,盲目相信這樣的設計有道理,以為不管這“三根針”有多細,只要槳葉的掃風面積巨大,就會像理論計算的那樣高效獲得風能。豈不知,空氣動力學理論,是用來對流體中高速運動的物體,進行結構受力分析。盡管風車槳葉的外形設計非常符合空氣動力學要求,但用在低風速、慢轉動的情況下,還是難以發揮出應有的效能。事實證明:理論與實際脫節,再權威的理論用錯了地方,也不會產生出理想的效果。就像在鐵路上行駛的高速動車,其外形有必要按空氣動力學結構進行設計;而對于普通列車,進行這樣的設計就是畫蛇添足、勞而無功。看來,只有那些對西方風電理論執迷不悟的人,才會相信這樣自欺欺人的“神話”!    

            盡管現在三槳水平軸風車得到了普及,技術也相對成熟,但我們不能因為西方人也在使用該風車,就不加分析地認為這就是最佳設計。其實,這種與風向垂直轉動的槳葉,僅僅利用了有限的升力,卻損失了更大的軸向阻力,不僅槳葉自身受風面積太小,而且升力型槳葉對風向擾動和空氣渦流十分敏感,風機之間必須保持足夠大的距離,才能避免相互干擾,這就大大降低了風車安裝密度和風電場地的利用率,造成了大量風能資源無法利用。并且,這種風車在風大和風小時都不能正常運轉,年風時利用率不足25%,每年的大多數時間成為擺設。這種狀況,既有風車設計自身的原因,也有我國平均風速較低,達不到西方原設計要求的原因。總之,“一根桿子三根針”式的風車不符合中國國情,其大量普及,是對現有風能資源,特別是優質風能資源的極大損失和浪費!更是風電行業的悲哀!這種盲目跟蹤西方風電技術的做法,造成了投資高、效率低、并網難、風能資源浪費大的狀況,必須盡快扭轉!    

            在國家大力扶持新能源發展的補貼政策鼓勵下,激發了人們對風電的投資熱情和沖動。當然,國家鼓勵新能源發展的本意沒有錯,西方國家也對風電實施補貼政策。在國家補貼政策的鼓勵下,很多風電企業和地方政府,都是在眼前利益上盲目參與風電競爭,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電競爭,跑馬圈地和跑馬圈海的現象時有發生。可見,補貼政策的實施,雖然促進了風電發展的突飛猛進!卻掩蓋了后續危機,削弱了風電創新的意愿和動力。按我國目前的風電發展速度,很快就會令國家財政不堪重負。而且,這樣的無序競爭,不僅會將優質風能資源迅速消耗殆盡!還可能造成大批風電企業破產倒閉!最后的爛攤子還得政府出面收拾。    

            人無遠慮,必有近憂。我們不能只看到風電裝機總量達到世界第二,更要看到風電投資的實際效益和存在的問題。按照現有風電發展狀況,陸上風電投資收回成本至少需要八到十年甚至十多年,海上風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貼;否則,可能設備報廢時也難以收回成本。可是,不管中國人能否收回成本?國外核心技術轉讓和關鍵設備銷售的利潤早就揣上了腰包。許多缺乏自有知識產權的風電制造企業,其實就是在為洋人打工。    

            目前,很多人知道,這樣的局面不可能長期維持下去,要使風電能夠持續發展,長遠發展,必須要進行重大改革和技術創新!雖然國內的相關風電發明,已經為風電發展點亮了希望的曙光!但多數風電企業仍在迷信西方的成熟技術、難舍投入的巨額資本、看重眼前的既得利益、怕擔創新的研發風險等等心態困擾下,求穩不求變,對重大創新發明往往是不屑一顧或疑慮萬千。多年的習慣養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車,就自認為可以高枕無憂,只希望通過購買技術或自我小改小革,來提高現有風車的效率。    

            其實,西方的風電技術,是在發展理論和發展方向上存在致命錯誤!所以,我們不可能通過常規化的改進,就能扭轉“一根桿子三根針”風車在原理結構方面的弊端和不足。目前,三槳水平軸風車的潛力已經挖盡,很難再有大的突破!風電發展主要還得靠垂直軸風車的創新,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力學理論,卻能船行八面風,駕輕就熟地揚帆在江河湖海,其利用風能的效率之高,遠遠超過現代風車,這難道不讓風電專家們汗顏嗎?所以,我們沒有必要迷信西方的風電技術,盡管西方的技術是成熟的,但不一定是最好的、最實用的!我們要敢于打破西方的風電“神話”,摒棄現有的風電發展模式,按照胡錦濤總書記的要求“搶抓世界新一輪能源革命先機”,開創中國式的風電之路!    

            現代的水平軸風車,是西方人在古典歐式風車基礎上的繼承和發揚,效果并不理想。那我們中國人,更應該對東方特色的垂直軸風車繼承和創新,沒有必要盲目效仿別人的做法。我們不妨避開西方的風電理論,換一個思路來考慮:既然垂直軸阻力型風車具有受風面積大、旋轉速度低、微風性能好、受氣流擾動影響小的特點,并且這些特點在大型風車上表現更加突出。那么,我們只需讓槳葉增加風載智能調節功能,就會獲得更高的風時利用率;并可加大風車安裝密度,提高風電場地利用率;不僅可以增強風電場的規模效應,也更有利于設備的集中維護管理。    

            現有適合大型風電場使用的最新發明“雙側風能全利用豎直風車”,其面積巨大的阻力型槳葉,有風載自我調節功能,可在微風或大風狀態下正常運轉,具有較高的風時利用率;該風車不僅幾乎消除槳葉的逆風阻力,還能同時利用雙側風能,使效能倍增,讓風電成本遠遠低于火電;如果與工業電解水制氫技術配套,有可能解決風電儲能和并網難題;另外,由于該風車是轉速很慢的大型阻力型風車,受氣流擾動影響較小,可以提高風車安裝密度和風電場地的利用率,其總體投資、運行和維護成本,不會高于現有大型風車。這項中國人自有知識產權的發明,有可能讓我們擺脫對西方風電技術的依賴,是當前風電發展的一個可選方向。    

            根據中國國情,任何行業的重大變革和創新沒有政府的強力介入和支持,必然步履艱難。風電行業也同樣如此,風電技術創新的風險大、投資高,單靠企業有相當難度。所以,風電重大發明的研發風險,最好能由政府出面承擔。畢竟國家每年對風電的補貼數額巨大,只要拿出很少部分用于新技術的研發創新,就能取得事半功倍的效果。    

            我國的風電發展正處在一個關鍵的轉折期,如何盡快突破制約風電發展的瓶頸,實現風能資源高效低成本地開發利用,既是低碳經濟發展目標,也是新能源開發中,最有可能迅速取得成效的突破口。只要我們果斷拋棄傳統的定勢思維,大膽創新、科學創新,相信在國家政策的大力扶持下,一定會走出中國式的風電創新之路!迎來風電行業“柳暗花明又一春”的美好前景。

            注:作者聯系方式:郵箱:njwsr@163.com  手機:13951675217  

             

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