什么是风力机?

[拼音]：fengliji

[外文]：wind machine

将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。

风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。风车传入欧洲后，15世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66千瓦（90马力）以上的风车。18世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。风力机用于发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划。到1918年，丹麦已拥有风力发电机120台，额定功率为5～25千瓦不等。第一次世界大战后，制造飞机螺旋桨的先进技术和近代气体动力学理论为风轮叶片的设计创造了条件，于是出现了现代高速风力机(见彩图)。1931年，苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台大型风力发电机，风速为13.5米/秒时，输出功率达100千瓦，风能利用系数提高到0.32。在第二次世界大战前后，由于能源需求量大，欧洲一些国家和美国相继建造了一批大型风力发电机。1941年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达53.3米的风力发电机，当风速为13.4米/秒时输出功率达1250千瓦。英国在50年代建造了三台功率为 100千瓦的风力发电机。其中一台结构颇为独特，它由一个26米高的空心塔和一个直径24.4米的翼尖开孔的风轮组成。风轮转动时造成的压力差迫使空气从塔底部的通气孔进入塔内，穿过塔中的空气涡轮再从翼尖通气孔溢出。法国在50年代末到60年代中期相继建造了三台功率分别为1000千瓦和800千瓦的大型风力发电机。

新一代风力机的特点是：

（1）增强抗风暴能力；

（2）风轮叶片广泛采用轻质材料，如玻璃纤维复合材料等；

（3）运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到0.45左右；

（4）用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态；

（5）发展风力机阵列系统；

（6）风轮结构形式多样化。法国人在20年代发明的垂直轴风轮在淹没了半个多世纪之后，已成为最有希望的风力机型之一。这种结构有φ型、Δ型、Y型和◇型等多种形式。它具有运转速度高、效率高和传动机构简单等优点，但需用辅助装置起动。人们还提出了许多新的设想，如旋涡集能式风力机，据估计，这种系统的单机功率将100～1000倍于常规风力机。

中国利用风车的历史至少不晚于13世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风车碾米磨面、提水灌溉和制盐。直到20世纪50年代仍可见到“走马灯”式风车（图1）。中国已研制出30余种现代风力机，主要用作简易提水工具。60年代研制出功率 3千瓦、叶轮直径6米的FWG－6型低速风力机。

太阳对大气层的不均匀照射和地球表面吸热能力的不同，在大气层中引起冷热空气的强烈对流而形成风。 风的动能与风速的 3次方成正比。用v表示空气速度，用ρ表示质量密度， 则单位时间内流过风轮扫掠面积 A的空气质量(m)为ρAv，于是空气动能便是


。由于气体的可压缩性，气体质点穿过风轮扫掠面──能量转换界面时，风速由v1降为v2，即v1＞v2。因自然风速v1只能有一部分被利用，若以风能利用系数Cρ表示利用程度，则可利用风能为


，其中Cρ＜1。根据气体动量理论推导出风能利用系数的最大可能值为


或0.593， 因此风轮输出功率与风轮的工作面积成正比。Cρ取决于风轮和叶片的结构和工艺。旧式风车Cρ≈0.10，现代风力机Cρ＝0.3～0.4，最高可达 0.5。另外，现代风力机在能量传输过程中大约还要损失 1/3理论上应输出的功，则有效输出功为：


或


，式中D为风轮直径。

风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中产生不对称力的物理构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。各类风能接收装置的取舍取决于使用寿命和成本的综合效益。风力机大都按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构（图2）和垂直轴结构（图3）两类。以风轮作为风能接收装置的常规风力机，按风轮转轴相对于气流方向的布置分为水平轴风轮式（转轴平行于气流方向）、侧风水平轴风轮式（转轴平行于地面、垂直于气流方向）和垂直轴风轮式（转轴同时垂直于地面和气流方向）。广义风力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加帆手推车等。无论何种类型的风力机，都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。

风力机的经济效益在相当大程度上取决于安装地点的风力状态。通过气象测量可得到安装地点的一条风速持续曲线(图4)。图4中横坐标为年小时数，总数为8760小时；纵坐标为风速。曲线上任意点都代表安装地点一年中出现超过此点风速的累计小时数。功率与风速的立方成正比，所以可由风速持续曲线得到一条与之类似的功率持续曲线(图5)。图5中gfe三角区因风速太低，为不可利用区。g点对应的风速相当于3米／秒，此时有显著的功率输出。gf称为开始工作点。输出功率随风速增高逐渐增大，在 c点风力机达到额定输出功率。当风速继续增高时，通过调节叶片桨距或其他方法可使功率输出稳定在额定值。b点相当于风速 27米／秒左右。为避免被风暴损坏，风力机在此点处应关机。功率曲线下的阴影面积bcfgh代表实际年输出能量。如果风力机全年满负荷运行，则adeo矩形面积代表全年输出的能量。bcfgh与adeo之比称为风力的年负载系数。将负载系数乘以8760就得到风力机一年中满载运行的当量小时数。

世界上已有数万台风力机在运行，作为辅助能源正在发挥作用。但风力机仍存在若干不足之处：

（1）能量输出不稳定，特别是大型风力机的利用率低，作为独立能源的条件还不具备；

（2）安全可靠性尚无充分保障；

（3）成本在短期内尚不足以与矿物燃料相竞争。但是，随着人类对能源需求量的日益增多和科学技术的发展，上述问题终会得到解决。

参考书目

张之一等编著：《风力机》，内蒙古人民出版社，呼和浩特，1979。

参考文章

G52 风力机变桨系统的功能和原理？电能技术风力机的偏航系统主要组成部分及其作用？电能技术

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