风能利用

​基本介绍

工业空气动力学研究内容之一。风能资源十分丰富，太阳每年传给地球的辐射能，约有2％转换为风能,相当于2.85×10千瓦。据统计,中国每年可利用的风能资源达1.6×10千瓦。

中国在两千年前就已利用风帆和竖轴风车。在蒸汽机出现以前,风能是仅次于薪柴的主要能源,直至19世纪中叶，一些国家所利用的风能仍佔总能耗的20％～30％以上。后来，由于煤和石油的开发，风能的利用逐渐退居次要地位。近年来，由于能源短缺和环境污染日趋严重，风能重新受到重视。除用于航运、提水、海水淡化和取暖外，风力发电也迅速发展起来。

风能通常用风能密度P来度量,它表示每单位迎风面积可收集的风能的功率。

，式中v为风速；ρ为空气密度。

从原理上讲，只要是在风的流动中能产生不对称力的物体,都能产生转动、平动或振动,从而获得风能。关键是用多大尺寸、多大成本，能获得多大风能。风轮机根据流动机理可分为升力型和阻力型；根据转轴相对于风流动的方向可分为迎风水準轴型、横风水準轴型和竖轴型；按功率的大小,可分为微型(1千瓦以下)、小型(1～10千瓦)、中型 (10～100千瓦)和大型(100千瓦以上)。近年来，还出现许多依空气动力原理进行革新的新型风轮机。风轮机的效率表为η＝Cpη1η2，η1和η2分别为机械和电气传动系统的效率；Cp为风轮的功率系数，Cp=

其中P为风轮输出功率；S为风轮叶片扫掠面积。功率系数理论最大值Cp

=0.593,称为贝兹极限。目前，世界上运行的最大风轮机的功率为3000千瓦。

风能利用是一项综合性的工程技术。它须从技术上可行、经济上合算和使用上安全等方面进行分析研究。近期风轮机的发展趋势以中、小型为主，用于提水、与蓄电池组或与柴油机联用发电等；同时着手研製大、中型风轮机，考虑风车群技术，用于并网供电以及风帆航运技术等。

参考书目

F. R. Eldridge, WindMachines， 2nded., Van Nostrand Reinhold Co.,New York,1980.

V.D.Hunt, Windpower, A Handbook on Wind Energy Conversion Systems,Van Nostrand Reinhold Co.,New York,1981.

本间琢也着：风力ェネルギ—読本,オ—ム社，东京，1979。

简介

wind energy

风能是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，[1]利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点。国家对可再生能源的利用,特别是风能开发利用给予了高度重视。

据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，[1]中国的风能总量约16亿千瓦。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。[2]中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300瓦/平方米（W/平方米）以上，3～20米/秒风速年累计超过6000小时 。内陆风能资源最好的区域 ，沿内蒙古至 新疆一带，风能密度也在200 ～300W/平方米，3 ～ 20米/秒风速年累计5000 ～ 6000小时。这些地区适于发展风力发电和风力提水。新疆达坂城风力发电站1992年已装机5500千瓦，是中国最大的风力电站。

历史

人类利用风能的历史可以追溯到公元前。我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。埃及尼罗河上的风帆船、中国的木帆船，都有两三千年的历史记载。唐代有"乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海"诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。到了宋代更是我国套用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车，一直沿用至今。

在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪伊斯兰人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的 套用。13世纪风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水，其风车的功率可达50马力，以后又用于榨油和锯木。到了十八世纪二十年代，在北美洲风力机被用来灌溉田地和驱动发电机发电。 从1920年起，人门开始研究利用风力机作大规模发电。1931年，在苏联的Crimean Balaclava 建造了一座100KW容量的风力发电机，这是最早商业化的风力发电机。[3]

概述

一、风力提水。风力提水从古至今一直得到较普遍的套用。

二、风力发电。利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式，受到各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式：

（1）是独立运行方式，通常是一台小型发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；

（2）是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；

（3）是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力。常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。

三、风帆助航。在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航了得到了发展。

四、风力製热。随着人民生活水準的提高，家庭用能中热能的需要越来越大，特别是在高纬度的欧洲、北美取暖，煮水是耗能大户。为了解决家庭及低品位工业热能的需要，风力製热有了较大的发展。

分类

风能发电还分为水準轴和垂直轴两种，套用的主要是水準轴，但随着科技的发展，人们认识到水準轴带来的一些不利因素，如噪音、体积大、机构复杂和抗风能力差等，世界各国开始大力研发垂直轴风力发电机，中国在这方面最早开始研究，2001年上海模斯电子设备有限公司根据部队指示，开发一款新型风力发电机，经过技术论证后，最终採用新型（H型）垂直轴风力发电机的方案。2002年底产品进入使用，得到了理想的效果。另外，欧洲和日本也在2003年开始研製垂直轴风力发电机，在市场需求的驱动下，各国都表现出了极大的热情。

从现有的资料上来看，中小型风力发电机今后发展的主要方向还是垂直轴为主！[4]

海上风能

海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为研究和套用的热点。多兆瓦级风力发电机组在近海风力发电场的商业化运行是国内外风能利用的新趋势。随着风力发电的发展，陆地上的风机总数已经趋于饱和，海上风力发电场将成为未来发展的重点。海上发电是国际风力发电产业发展的新领域，是“方向中的方向”。

中国海上风能资源储量远大于陆地风能，储量10m高度可利用的风能资源超过7亿kW，而且距离电力负荷中心很近。上海已开始海上风力发电项目的建设，到2010年，上海的风力发电总装机容量将达到200-300兆瓦。为达到这一目标，中国第一座长距离跨海大桥东海大桥两侧将建成中国内地首个海上风力发电场。

未来前景

海上风力发电在未来30年内将会得到大力发展，中国计画在距离海岸大约30英裏的地方大规模建造水上风力发电站，这些发电站可能建在巨大的浮体上，也可能深入水下120英尺建在大陆架上。鑒于海面上风力通常比地面上大，因此海上风力发电更具有发展前景。未来20年内海上风力发电量将能够达到750亿瓦，几乎达到中国所有发电站装机容量的70%。