新能源暨風電發(fā)展的綜合評析
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  提起“新能源”這個耳熟能詳?shù)拿~,是當前發(fā)展低碳經(jīng)濟的追求目標。人們普遍將太陽能、水能、風能、生物質(zhì)能、地熱能等可再生能源統(tǒng)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(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(xiàn)代主要能源煤炭、石油和天然氣,僅僅是工業(yè)革命后,隨著蒸氣機和內(nèi)燃機的發(fā)明,才逐步得到大規(guī)模地普及應用,在人類文明發(fā)展史上,僅僅只有兩百多年的時間。當這些礦物質(zhì)能源的使用,帶來了嚴重地環(huán)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(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?嚴格定義應當是:低價可再生清潔能源!暗蛢r”、“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)電和風力發(fā)電,其實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、建設周期長、對河流局部地質(zhì)環(huán)境影響大,還有潰壩風險等,并未真正達到生態(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,卻存在著嚴重污染和巨大能耗;實質(zhì)是污染和能耗地點的轉(zhuǎn)移,綜合衡量不能算是清潔能源。只有風力發(fā)電,確實稱得上是可再生清潔能源,但目前的風力發(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值的清潔實用能源。風力發(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,只有風力發(fā)電前景最光明,為什么這樣說?因為水力發(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。只有風力發(fā)電,適應范圍廣、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,風能在人類的水運和航海史上,曾經(jīng)發(fā)揮過至關(guān)重要的作用,可以說風能促進了人類社會的發(fā)展和進步。但現(xiàn)代的風力發(fā)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(xiàn)代的風車,每年大多數(shù)時間都是處在無法運轉(zhuǎn)狀態(tài)。為什么會出現(xiàn)這樣的情況?這要從現(xiàn)代風力發(fā)電的歷史說起,我們知道現(xiàn)代的風力發(fā)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(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(shù)百年。直到歐洲人率先將風車用于發(fā)電時,人們才對風車寄予了更大的厚望。出于加快風車轉(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。增速后的風車,果然達到了增加發(fā)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(wěn),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(fā)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(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(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(zhuǎn)速度很高,依據(jù)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(jù),就明顯不合適了;因為大型風車的旋轉(zhuǎn)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(zhì)的區(qū)別,因為飛機螺旋槳是主動高速旋轉(zhuǎn),而風車槳葉是被動低速旋轉(zhuǎn),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(jié)論?應該說是有實驗依據(jù)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(zhuǎn)速高,水平軸風車槳葉在高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速相對較高的情況下,槳葉截風效能隨轉(zhuǎn)速的提高而降低,逆風側(cè)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(qū)式電機,轉(zhuǎn)速高的水平軸風車明顯占優(yōu)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(jié)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(fā)生了變化。隨著風車逐步大型化和超大型化,其旋轉(zhuǎn)速度越來越低,水平軸風車的優(yōu)點在大型風車上表現(xiàn)弱化,弊端反而強化。而大型垂直軸風車由于轉(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電理論和早期驗證結(jié)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(xiàn)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(xiàn)代風車,卻是靠緩慢轉(zhuǎn)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(xiàn)代風車設計理論面前,顯得蒼白無力?是因為人們被權(quán)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動的情況下,還是難以發(fā)揮出應有的效能。事實證明:理論與實際脫節(jié),再權(quán)威的理論用錯了地方,也不會產(chǎn)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(jié)構(gòu)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?磥恚挥心切⿲ξ鞣斤L電理論執(zhí)迷不悟的人,才會相信這樣自欺欺人的“神話”!
  
  盡管現(xiàn)在三槳水平軸風車得到了普及,技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn),年風時利用率不足25%,每年的大多數(shù)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?傊耙桓鶙U子三根針”式的風車不符合中國國情,其大量普及,是對現(xiàn)有風能資源,特別是優(yōu)質(zhì)風能資源的極大損失和浪費!更是風電行業(yè)的悲哀!這種盲目跟蹤西方風電技術(shù)的做法,造成了投資高、效率低、并網(wǎng)難、風能資源浪費大的狀況,必須盡快扭轉(zhuǎn)!
  
  在國家大力扶持新能源發(fā)展的補貼政策鼓勵下,激發(fā)了人們對風電的投資熱情和沖動。當然,國家鼓勵新能源發(fā)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(yè)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(xiàn)象時有發(fā)生?梢,補貼政策的實施,雖然促進了風電發(fā)展的突飛猛進!卻掩蓋了后續(xù)危機,削弱了風電創(chuàng)新的意愿和動力。按我國目前的風電發(fā)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(yōu)質(zhì)風能資源迅速消耗殆盡!還可能造成大批風電企業(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(xiàn)有風電發(fā)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(shù)轉(zhuǎn)讓和關(guān)鍵設備銷售的利潤早就揣上了腰包。許多缺乏自有知識產(chǎn)權(quán)的風電制造企業(yè),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(xù)發(fā)展,長遠發(fā)展,必須要進行重大改革和技術(shù)創(chuàng)新!雖然國內(nèi)的相關(guān)風電發(fā)明,已經(jīng)為風電發(fā)展點亮了希望的曙光!但多數(shù)風電企業(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)風險等等心態(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車,就自認為可以高枕無憂,只希望通過購買技術(shù)或自我小改小革,來提高現(xiàn)有風車的效率。
  
  其實,西方的風電技術(shù),是在發(fā)展理論和發(fā)展方向上存在致命錯誤!所以,我們不可能通過常規(guī)化的改進,就能扭轉(zhuǎn)“一根桿子三根針”風車在原理結(jié)構(gòu)方面的弊端和不足。目前,三槳水平軸風車的潛力已經(jīng)挖盡,很難再有大的突破!風電發(fā)展主要還得靠垂直軸風車的創(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(xiàn)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(shù),盡管西方的技術(shù)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(xiàn)有的風電發(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”,開創(chuàng)中國式的風電之路!
  
  現(xiàn)代的水平軸風車,是西方人在古典歐式風車基礎(chǔ)上的繼承和發(fā)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(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(zhuǎn)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(xiàn)更加突出。那么,我們只需讓槳葉增加風載智能調(diào)節(jié)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(guī)模效應,也更有利于設備的集中維護管理。
  
  現(xiàn)有適合大型風電場使用的最新發(fā)明“雙側(cè)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(diào)節(jié)功能,可在微風或大風狀態(tài)下正常運轉(zhuǎn),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(cè)風能,使效能倍增,讓風電成本遠遠低于火電;如果與工業(yè)電解水制氫技術(shù)配套,有可能解決風電儲能和并網(wǎng)難題;另外,由于該風車是轉(zhuǎn)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(xiàn)有大型風車。這項中國人自有知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)明,有可能讓我們擺脫對西方風電技術(shù)的依賴,是當前風電發(fā)展的一個可選方向。
  
  根據(jù)中國國情,任何行業(yè)的重大變革和創(chuàng)新沒有政府的強力介入和支持,必然步履艱難。風電行業(yè)也同樣如此,風電技術(shù)創(chuàng)新的風險大、投資高,單靠企業(yè)有相當難度。所以,風電重大發(fā)明的研發(fā)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(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。
  
  我國的風電發(fā)展正處在一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折期,如何盡快突破制約風電發(fā)展的瓶頸,實現(xiàn)風能資源高效低成本地開發(fā)利用,既是低碳經(jīng)濟發(fā)展目標,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、科學創(chuàng)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(chuàng)新之路!迎來風電行業(yè)“柳暗花明又一春”的美好前景。
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