新能源暨風電發展的綜合評析

　　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。