现代风能利用技术

风力发电

自从1890年丹麦政府制订风力发电计划以来，整整经历了一个世纪，风力发电技术才逐步成熟起来。这是一条不平坦的技术发展道路。100年来，世界各国研制的风力发电机类型很多，数不胜数，从大类分，主要有水平轴型、竖轴型（又称垂直轴型）和特殊型（如扩压式和旋风式，现在尚处于探索性研究）。

水平轴型风力发电机 这是目前技术最成熟，生产量最多的风力发电机。小型水平轴风力发电机比较简单，如10千瓦以下的风力发电机，特别是几百瓦的充电式微型风力发电机，主要部件有叶片、传动轴、齿轮变速箱（微型机可以不要变速箱）、发电机、尾翼和塔架（微型机只用支撑杆和拉线）。图4—4为水平轴小型风力发电机。图4—5为200千瓦水平轴风力发电机（见插页3）。

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这种小型风力发电机，一般有2～3个叶片，多数用玻璃钢材料粘贴，微型机也有木制的叶片或金属叶片。多数都是升力型叶片，如同飞机的翼型，风能利用率高。发电机多选用低速永磁发电机，这样可以省去增速器和励磁机构。尾翼（或称尾舵）是调整风向用的，可使风机保持对准风向，同时也可用来停机，使风机偏离风向而停止旋转，特别是当风速过高时，尾翼可以起保护风机的作用。塔架或支撑杆是用以承载风力机的重要部件，它要承受风力机的静载和动载，应牢固不产生振动，才能保证整机的安全运行。我国研制生产的水平轴小型风力发电机较多，产量居世界xx，每年生产万台以上。目前我国安装的小型风力发电机有15万多台，主要在内蒙古牧区和其他偏远无电地区。容量多数为100～200瓦，近年来也发展一批500～1000瓦的独立户用的风力发电机。这些都是要用蓄电池充电，从铅酸蓄电池输出的直流电也可经逆变为交流电，以方便用户。1～10千瓦的风力发电机可解决较大用户的需要，如xx边防哨所、小型工厂、作坊或海水淡化等用电。许多发展中国家，电网覆盖率低，尤其是农村地区多数缺电，架设输电线路投资大，由于用电量不大，长距离送电线损耗多，经济上不合理。因此发展小型风力发电机独立供电较好。

大中型水平轴风力发电机有两种：一种为上风向风力发电机，即由叶片组成的风轮在塔架前迎风，靠自动对风装置调整风力机对准风向；另一种为下风向风力发电机，它的风轮在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，这样就有塔影效应，影响风力机的出力，但可省掉对风装置，各有利弊。不过目前大量生产的是上风向风力机。另外，大型风力发电机的风轮与叶片非常讲究，它是风力发电机的重要部件，它也分为两种类型：一种为固定桨距，即叶片安装在风轮上之后，角度不能改变，若风力大小需要调整风轮转速时，可用辅助侧翼或铰接的尾翼或其他气动机构，使风轮绕垂直轴回转，以偏离风向，减少迎风面，达到调整的目的；另一种为可变桨距，就是叶片在风轮轮毂上的桨距是可以随时改变的，当风速变化时，利用气动压力或风轮旋转产生的离心力，使叶片改变角度，即桨距可变，以实现调速。大型风力发电机常备有伺服电机来变桨距调速。国际上丹麦生产的风力发电机多为固定桨距，其他国家多生产可变桨距的风力发电机。一般说，固定桨距比较简单安全，但可变桨距风能利用率高。近年来风力发电机的自动化程度提高，叶片制造技术也有提高，尤其是发展大型风力发电机，单机容量达500～600千瓦，可变桨距的优越性就比较突出和必要。目前世界上生产的大型水平轴风力发电机，多数为200～300千瓦，早期有55～150千瓦，新近发展的为500～600千瓦。兆瓦级的特大型风力发电机尚处于研制阶段，美国安装在夏威夷的3200千瓦水平轴的风力发电机{zd0}，是由美国波音公司制造的，它的叶片就像大飞机的翅膀。最近丹麦将投产1000～1500千瓦的特大型水平轴风力发电机。我国试制的大型风力机为55～200千瓦，容量尚小，与国际差距较大。

垂直轴风力发电机 凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力发电机就叫垂直轴风力发电机。虽然这类风力发电机尚未大量生产，但试制品种繁多，如φ型、△型、S型、H型等。它们的外型与水平轴风力发电机xx不同，但有许多特点，主要是不用对风向，任何方向的风对垂直轴风机来说都一样；不需要大型塔架；发电机装在风轮下的底座中，维修方便；叶片一致性好，制造简便。主要问题是起动和停车较难。图4—6为几种垂直轴风力发电机。图4—7为6米垂直轴2千瓦风力发电机（见插页3）。

{zj1}代表性的垂直轴风力发电机是φ型风力机，也称达里厄风力机，它是1925年法国人达里厄（G.J.M.Darrieus）发明的。它的结构是由2～4片跳绳曲线型的叶片组成，呈对称翼型剖面，只承受纯张力，不承受离心力载荷。叶片的型式仍是升力型，气动性能好，只是由于叶片呈弧状，上下两端受风情况不佳，所以低风速起动困难，有时要加设起动装置。国际上研究Φ型风力发电机的较多，但投入生产并应用的只有美国。我国除自行研制了几台4～5千瓦的Φ型机外，80年代初曾与德国合作试制过20千瓦的Φ型风力发电机组，后因运行情况不佳而停止。

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S轮型风力发电机是1924年芬兰人萨沃纽斯（Savonius）发明的，它是一种阻力型风轮，尽管气动性能不如Φ型风力发电机，但制造容易，起动快，低速风也能运行。最简单的是利用旧汽油桶对剖，安装在一根垂直轴上，外形呈S状，发电机装在垂直轴的底部，甚至可以在同一轴上叠层安装几个S轮，以提高效率。尽管结构非常简单，但长期以来没有得到推广，关键是风能利用效率问题，且一般只适用于小型发电，我国曾试制过几台此种风力发电机用于航标灯电源，后来也被太阳电池电源所取代。

H型风力发电机，也叫直叶片风力机，它也是φ型风力机的一种，只是将两端线速度很低，产生升力不大的部分去掉，因而改为直形叶片，这样叶片的制作更为容易，并可多层安装，还可加装能调节角度的副叶片，使起动性能和刹车效果得到改善。目前这种风力机在日本有应用，我国也试制过2～3千瓦的样机，还在内蒙古制成风力提水机。

风/柴互补系统 在电力不足的地方，为了节省柴油机发电的燃料，可以采用风力发电与柴油机发电互补系统。通常这种能源互补系统以中型风力发电机为好，单机容量55～100千瓦较为适宜。相应的柴油发电机组也是60千瓦左右的，较好操作管理。国际上较成熟的风/柴系统有三种型式：基本型、离合器加蓄电池型、交替运行型。其方框图如图4—8所示。

基本型是最简单的一种风/柴互补系统，它由风力机驱动异步发电机和柴油机驱动同步发电机，在电路上并联后，共同向负荷供电。柴油机发电应根据风力的强弱及负荷的大小来调整自身的输出功率，发电量可大可小，但不能停机，否则无法提供异步发电机所需的无功功率，这样只能在有用户负荷时，充分使用风力机所发的电，节约少部分由柴油机组多发的电。因为柴油机不能停开，燃料消耗节省不多。

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具有离合器加蓄电池型的风/柴互补系统是在柴油机与同步发电机之间装一个电磁离合器，同时在网路上接有由电力电子器件组成的整流逆变装置及蓄电池组。当风力较强时，来自风力发电机的电能除供给负荷外，多余的电能经整流器可向蓄电池充电。当风力很强时，风力发电机可以充分发电，同时柴油机在离合器的作用下可与同步发电机断开，并停止运转，以节约燃油。这时同步发电机由蓄电池组经逆变器供电，并作为同步补偿机运转，以保证异步发电机所需的无功功率。此外，当负荷超过风力机和柴油机发电的能力时，蓄电池组还能进行适当补充，主要是利用风大时发电所贮存的电能，这样节油效益明显。

交替运行型的风/柴互补系统是风力机和柴油机都驱动同步发电机，只是把用电负荷按轻重缓急分类，{dy}类为优先负荷，首先保证供应，第二类为一般负荷，在系统力所能及时给予供应，第三类为其次负荷，当风力太弱，风力机停止发电，柴油机投入发电，尽可能满足负荷需要，其间切换会有短时断电。在风力较强时，通过频率传感元件给出的信号，依次接通二类和三类负荷，尽可能多用风力机所发的电，柴油机则能停就停，要开就开，处于备用状态。这样供电质量不太好，但能节约燃料。

风/柴发电互补系统在没有电网的独立地区，如海岛或边远村镇有实际意义，它比分散的小型风机供电量大，可以除生活外还兼顾适当的生产用电。目前我国在浙江省的大陈岛和内蒙古有些地方已建立这种风/柴互补系统，为解决电力不足积累了经验。

风力发电场风力发电场（简称风电场）是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。在国外也叫“风力田”，意思是风力发电机群像种庄稼一样安装在地面。20世纪80年代初，首先在美国加利福尼亚州兴起这种风力田（Windfarm），目前洛杉矶附近的特哈查比风电场是世界上{zd0}的风电场，1994年装机容量50多万千瓦，年发电量为14亿千瓦·时，约占世界总风力发电量的23％。美国首批建设风电场的风力发电机组为30～60千瓦，后来以100～200千瓦的机组为骨干，现在已发展到300～600千瓦的机组，并准备向兆瓦级机组发展。美国风电场的成功经验，很快影响到欧洲国家，目前已在中国和印度等发展中国家兴起风电热潮，我国电力部已规划到2000年发展风电场总装机容量100万千瓦，印度拟建200万千瓦，欧洲联盟国家将在现有基础上到2000年再增加300万千瓦。今后风力发电的重点是建设大规模的风电场。表4－1为世界风电场装机容量统计。

表4-1 世界风电场装机容量统计（1996年）

风电场的机型选择非常重要，可根据当地的风况选择适当容量的风力发电机型。从经济效益出发，单机容量大，单位装机千瓦值就低，但更要考虑其年发电量的多少，不能盲目求大，若单机容量过大，额定风速太高，而年平均风速不能满足其工作时间的要求，则发电量低，反而白白浪费了投资。同一风电场的风力机组应尽可能品种少，以利运行和维修。在有条件的情况下，应选择质量可靠的国产风力机组，xx依赖进口风力机，不仅造价高，且售后服务麻烦，备品备件供货不便，都将影响风电场的运行。

风电场的自动控制是技术高低的标志，除风力机自身单片机（或单板机）的控制外，要考虑整个风电场单元系统、通信系统、自动监控接口、监视记录等一系列问题。自动控制的主要内容包括：机组自动起动/停机控制；机组事故紧急停机控制；自动偏航控制与桨距角控制；自动并网、解列控制；电压控制（全场无功控制）；前置测控单元接收并执行中央控制室主机发出的控制指令等。

风电场的选址原则，一般要在年平均风速大于6米/秒的地方，而且风向稳定，灾害性天气少，离现有公路、电网较近。建场前必须对潜在风场的地形、地貌、气象情况、交通条件、电网容量、社会经济发展水平（电力需求）和自然景观等进行详细调查，并进行不少于1年的风况观测，以便正确选择风力机型，合理布局，充分利用风力资源和土地。一般建设风电场比建设其他发电站基建周期短，投产快，装机容量可随投资逐步加大，也没有移民等社会问题。

我国建设风电场的经验不足，目前尚无大型国产化风力发电机组，现有几个风电场的容量都不大，且绝大多数是国外的风力发电机，有的还是国际合作的试验项目。其中规模{zd0}的是新疆乌鲁木齐附近的达坂城风电场，截止到1996年底，达坂城一、二两场共装风力发电机55台，总装机容量16800千瓦，主要是丹麦和德国的机组，单机容量100～600千瓦，其中300千瓦的机组占一半以上。图4－9为新疆达坂城风电场（见封二）。表4-2为中国风电场概况。

表4-2 中国风电场概况（1996年）

风力提水

人类利用风力提水的历史很长，并且延续不断，现在还在发展。中国旧式的风力提水机有很多种，如立帆式，直接由船的风帆演变而来，像走马灯似的几个竖立的风帆，风吹即转动，所以也叫“走马灯式风力提水机”；斜杆式，形若斜躺着的风轮，并配有木制的龙骨水车，这种风力提水机使用的时间最长，差不多从明代直至20世纪50年代，电影《柳堡的故事》里就有这种风车。在国外，主要是欧洲的荷兰式风车，高大的叶轮，古典的塔楼，安装有大口径的木制螺旋泵，蔚为壮观。

现代的风力提水机具，与上述风力提水机大不相同，它是在美国农场式风力提水机的基础上不断改进而来，主要是利用低速风较好。现在最常见的多叶片低速风力提水机，转速不快，可配钢制螺杆泵或双程活塞泵，一般分低扬程大流量和高扬程小流量两类。当然，人们更希望有高扬程大流量的风力提水机具，目前尚处于研制阶段。另外，也有利用风力发电，再带动电泵抽水，这已属于电力提水，不是风力直接提水。图4－10为多叶片风力提水机（见插页4）。

风力机的叶片越多，越能捕捉低速风。虽然叶片多，转速慢，但对于提水而言，起动风速低，有风就转，能转动便可提水，做到细水长流，不像发电那样，转速低了就发不出电。当然，现代风力提水机也有适合高风速的，可以利用少叶片（3～4叶片）风力机，甚至也有用垂直轴风力机提水的。其中关键是看风况和选用的提水泵具如何。一般排灌用要求扬程不高，但流量是主要的，并且希望做到有风就提水。通常低速风较多，像我国多数地区夏天风小，冬天风大，而提水需要恰恰是夏天多冬天少，因此充分利用小风力提水更有必要。由于风力提水一般扬程不高，对于某些需要高扬程提水的地方，可以采用多台风力提水机联合作业，像接力赛那样一级接一级地把水提到高处，国外有提水总扬程达20～30米的。

风力提水不仅用于农田排灌和人畜饮水需要，还可用于大面积土壤改良，如我国黄淮海一带多盐碱地，近年来天津市郊采用风力提水排碱，经过几年的努力，已把大片原来不可耕种的土地变成了果园和菜地，经济效益明显。有的地方还在水产养殖业中利用风力提水机，不仅用于换水，更可作为鱼池的增氧设备，节约用电。现代化的农牧渔业都可利用风力提水设备，海滩晒盐更少不了风力提水，尽可能多用风力提水，减少柴油机泵和电泵，不仅是节能措施，更是环境保护需要。田野、草原和海滨等减少了机器噪音和烟尘，多一些风车点缀，更显得环境幽美。

发展大型风力提水机，可以利用有利地形与农村小水电结合，建立风水互补的蓄能电站。我国许多小水电站都是冬季枯水期停运或发电不足，若利用冬季风大，将发电后的水抽回水库，使水能循环利用，增加水电站的发电量，风力提水就间接地变成了风力发电。

总之，风力提水的潜力很大，目前我们多注意风力发电，比较忽视风力提水。其实从风能资源来说，低速风的数量往往要超过高速风，除少数适合风力发电的地方有足够的高速风外，多数地方常年有风而不大，若适当开发风力提水，则能更合理地利用风能资源。国家在制定新能源政策上，应全面考虑自然资源的特点，充分运用现有可开发的技术，我国是风力提水的古国，这方面的技术潜力较大。

风力致热采暖

人们往往会奇怪，风怎么会致热？风还能采暖？风给人的感觉是冷的。其实风作为一种能源，能源是可以转换的。风可以驱动机械去作功，利用机械当然可以致热，有了热无疑可以采暖，道理非常简单。

这里我们不去讨论风力发电和利用电致热采暖，因为那是电热的范畴。现在只简单地讲讲风力的机械致热及其用途。风力驱动机械运动，最明显的是摩擦致热。在初中物理课本中就能知道，当物体摩擦时会发热，摩擦速度越快，发出的热量就越大，甚至会冒出火花来。根据这种基本道理，风通过风轮，提供一种原动力，然后做成各种各样的致热器。例如：固体摩擦发热器，搅拌液体发热器，挤压液体发热器等。

固体摩擦发热在风力机的转轴上安装一组制动元件，像汽车刹车一样。当制动元件摩擦时不断发出热量，然后用油或水将这种热量传出。只要不停地摩擦，热就源源不断获得，人们就可用这种热去安排用处。

搅拌液体发热在风力机的转轴上装一搅拌转子，转子上有一些叶片，让转子不停地在液体（水或油）中搅拌，使液体的分子发生剧烈的碰撞，时间一长，慢慢就发热了，把这种热取出来也可利用。

挤压液体发热当风力机带动一种油泵工作时，使油从很狭小的阻尼孔高速喷出，然后在尾管中使油分子冲击摩擦，于是就产生热，而且这种摩擦没有部件磨损，比较理想。

涡流发热除了上述几种摩擦发热外，还有一种新式的发热方法，就是切割磁力线时的涡流发热。大家知道，电动机或发电机工作时，电机都会发热，越是做得不好的电机，发热越厉害，本来这是一件坏事，在电机制造中是要避免的。然而，风力发热就要利用这种矛盾，让风力机驱动一个转子，不停地在磁化线圈中转动，故意使它发热，但是外面又加一环形水套，不断把热带走，使线圈不会烧坏。当然，这样磁性线圈要消耗一点电，不过耗电量很小，可用蓄电池解决，蓄电池用风力发电充电（风轮带一小发电机即可）。如此产生的热能也较平稳，可以利用。

风力致热在日本、英国、美国、丹麦和荷兰等一些国家有研究，有的可提供80～90℃的热水，例如日本北海道的“天鹅一号”风力取暖炉，采用直径10米的风轮为动力，以挤压液体发热的方式，可产生80℃的热水，供一家饭店作洗浴和采暖用；同样，英国有一座温室2000平方米的采暖也用风力致热，以16.5米直径的风轮，搅拌液体发热。目前我国尚未进行风力致热的研究，其实我国东北、华北冬季天冷风大，采用风力致热应具备条件。图4－11为日本“天鹅一号”热风炉。

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新式风帆助航

古老的风帆航船完成了历史使命，正在走进历史博物馆。但是现代化的新式风帆助航又出现了，它是在当代电子技术高自动化和新型材料的发展基础上产生的。首先在70年代由日本开始制造风力与柴油机联合动力船，用计算机自动控制切换，用新型结构的帆具材料，制成起落方便的风帆，操作简便，美观实用，节能效率15％以上。接着美国和北欧也着手研究风帆助航技术。我国80年代研制了几条小型的风帆助航船在长江上试运行。90年代，宁波海运公司试制了一艘2500吨级的“明州22号”风帆助航货轮，船身总长85.8米，型宽15米，型深7.3米，设计航速11.5节（海里/时）。风帆为不锈钢弧型帆，面积120平方米（高12米，宽10米），可以在3～20米/秒风速下使帆，采用计算机控制油压操帆，风帆全折全张时间1～2分钟。装主机一台，功率1080千瓦。该轮于1996年1月投入运营，行驶在日本、宁波、厦门、香港之间，可载运146只集装箱。目前世界{zd0}的风帆助航货轮为日本的“臼杵先锋号”，总吨位2.6万吨，船长152米，宽