利用风作为能源实际上已有数千年的历史,如,埃及在公元前400年就使用绕水平轴转动的风车。在欧洲,尤其是英国和法国在公元12世纪初,类似于风车装置已经大量出现了。用现代语言来说,风是人类重新恢复的能源,如:用于加工谷物、抽水、排灌、锯木等。在过去的几百年里,在海洋中无论是小独木舟还是巨大的多桅杆通商船或战船,风是主要的动力,只有蒸汽机和内燃机的出现,才几乎完全取代了海上的风帆船。

在经实践活动中,人类对风能的应用又产生了极大的兴趣。其一是20世纪能量的消耗急剧的增加,特别是在发达国家里95%能量消耗来源于贮储有限的有机燃料。根据Shell评价,按目前消费水平,世界石油储存只够用35年,天然气可用60年,煤尚可维持200~300年。在现代生产中为了减少全世界矿物燃料的消耗,已经开始运用能量储存技术工艺。发达国家实行巨额拨款,在寻找新的有机燃料矿产地的同时,开发非传统的重新恢复的能源,像太阳能、风能、地球深处的燃料能、生物能等。

其二是有机燃料燃烧时放出大量的有害物质:二氧化碳、氧化物、硫、氮等,这些有害物质污染大气,破坏生态平衡,要减少有害物质对大气的污染是出自于生态学的一个原因。

根据多伦多协议规定,CO2在大气中的含量到2050年应当减少到1/2倍,与此相对应的煤、石油和天然气的利用量也应减少到1/2倍,根据这个意见,在1989年全世界风力发电达20亿度就可以预防3亿多吨二氧化碳流入大气。

现代利用风能与20世纪初利用风能的趋势不同,除完成各种机械功外,现已广泛地利用发电。其特征是区域性分布,可单机工作,当建立了具有足够大功率的多座电站时,可以同时并入国家电网送电,这是发展方向。

风能源的特性取决于地理位置的分布、季节、昼夜时间与高度等不同条件,不是恒定的,可用特殊的方法操纵控制分布各地的风能动力机,有效地利用全年平均为5米/秒或更大的风速。

估计,世界上储存的风位能为94×1018焦耳,此能量实现再生能时是31.5×l018焦耳,在1987年世界的能量消耗是11200亿吨标准燃料。

上述资料可以证明,自然界储存大量风能,因此世界上许多发达国家,在70年代末和80年代初制定国民计划仔细研究,积极开发建设风能动力机:下表中是一些国家风能动力机功率(兆瓦)。

8.1.1

上述情况表明,建立和使用风能最多的国家是美国,美能源部计划到1995年风能动力机功率增加到10倍,到2005年增加到70倍,提供的风能接近美国总耗能量的8~10%。美国的加利福尼亚州是风能的“迷人区”,这个地区是世界上最富饶的风能资源地区之一。

丹麦、荷兰、联邦德国、大不列颠、瑞典等一些欧洲国家,正在积极发展利用风能。就连丹麦这个小国在1989年利用风力电能占国家电能的1.8%,占全世界风力电能的45%。

瑞典有功率为2~3兆瓦的装置实验设备。瑞典政府对风能动力技术开发做了巨大的工作,并作出了到2010年关闭全国12座原子能发电站的决定,在波罗的海沿岸建立4千座风力发电站,其中1.5千座分布在陆地上,2.5千座分布在近海水域,与其它能动力一起弥补生产用电。年发电量接近于30 TBT·4这样为了替换年发电量为5 TBT·4的原子能发电站,在陆地上必须大约建立750座风力发电站。

联邦德国制造的风能动力机其功率增长速度非常大,从利用风能角度看,最适宜的是石勒苏盖格——荷尔斯泰因地区。如果在1985年建立的风能动力机功率是4.5兆瓦,那么到2000年政府打算把风能动力机的总功率提高到500兆瓦。

在亚洲区域的国家、印度拟定了发展风能的宏伟规划,其风能支援达50000兆瓦,按现在的技术水平发展可利用20000兆瓦,到2000年建立风能动力机功率达5000兆瓦,比美国的加利福尼亚州现有的风电站功率大3倍,印度政府还建立了国家研究中心机构,专门研究风能的利用,并在欧洲订购成套设备发展风能。

目前世界各国都在积极开发研究利用风能。为此下面我们简述风力组合机的工作原理:风力组合机的关键部件是风轮或叶轮,它接收空气流的动能,并把动能转变成机械能。此后,风轮的转动带动抽水机抽水,带动气压机把气体压入贮存器,带动发电机发电等。

现代风轮或叶轮的叶片形状与飞机机翼横截面的形状相似,采用气体动力学刻面形式。实验表明,空气流的功率与其速度的3次方成正比,然而在确定风能的有效系数ζ时,只有使风轮转动的那部分能量才能转换成有用能。现代的风能动力机能把空气流的全部动能η的45~48%转变成机械功。叶片末端的圆周速度与风速的关系决定风轮的高速z也是它的一个重要特征。ηζ和z之间的量值大小与风轮的结构有关。

风能动力机的分类方法有两种:即按功率的大小和风轮转轴的分布方式分类。功率在45千瓦以下的为小型风轮机,功率在45~500千瓦的为中型风轮机,功率在600~5000千瓦的为大型风轮机。功率较小的风轮机供个体消费者、农场、小经济作坊等耗电量较少的用户,功率较大的风轮机(单机或多机连接)调控风电站,提高工作的稳定性,然后并入国家电网送电。

最古老的风车结构是风车的风轮绕水平轴转动,强大的高速风车用具有长达50米的二、三个叶片的风轮带动,风轮安装在高达30~100米的金属的或钢筋混凝土的塔上,转速高而且当风速变化时明显地改变负载,因而对制造叶片的物质材料要求高,使其能承受住足够大的机械应力。在30年代出现了绕垂直轴转动的风能动力机。英国人研制成像字母H型结构风涡轮机,它具有垂直轴并且叶片也按垂直排列分布。当空气量流速过大时叶片能自动叠加,调节风涡轮机的转速,这种绕垂直轴转动的并有气体动力学剖面形叶片的风机,它的功率可达4~20兆瓦。在80年代初,德国人康采恩提出带有平衡锤的特殊型的单一叶片风涡轮机,它的转轴与水平面成55°角。“Monoptros”型系列的风能动力机功率从30千瓦到640千瓦,可设计达5兆瓦的兆瓦机系列。“Monoptros”型系列的风能动力机与具有2~3个叶片水平排列的高速(z=15)风能动力机相比,其运行性能更加可靠。

对影响风力工作效率的事实分析,得出这样的绪论:风能动力机的安装必须选择恒定的等速的大流量空气流的地方,即必须分布在海洋的大陆架上(与岸相距1~30千米深达30米的区域)。这样风能动机发电量可以提高40%,既能腾出占地又能减小生态学破坏的程度。

风能动力机的普及是由于它与传统发电机相比有很强的竞争力,通过一些资料表明,在近10~15年内风能动力机生产1度电的价格和安装千瓦功率机的价格都明显的降低。

如:丹麦从1990年起风力发电的价格与用便宜的煤实行火力发电的价格竞争。在美国这些相应的指标彼此接近。大不列颠的专家们确认,在20世纪与21世纪交替时期风能动学将成为传统能动学的强争对手。

总之:在世界上,在动力资源的对比中,我们可以明显地看到一种趋势,就是利用风能的潜力。提高风能动力机的功率同时改进风能动力机结构,减少叶片质量加大强度,对风能动力机全部实行自动控制,类似于总体站的形式把风能组合机分布群向海洋大陆架区域推进,那时的风能价格更便宜,风能动学更有竞争力。

8.1.2