新能源暨风电发展的综合评析

　　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。