风能的利用

一、风力发电及其储存

我们都知道，风力发电是依靠风吹动风机叶片使叶片转动来发电的。由于风速忽高忽低，发出的电量也就时大时小，因此有必要采取各种储能方式，把风力机发出的电储存起来，以资调节。

1.蓄电池储存

发电多时用蓄电池组存起来，发电不足时，由蓄电池供电给负载，这种方法适用于小型风力发电。

2.与其他供电系统并联

与其他发电方式的供电系统相并联，例如附近的配电电路是由火力、水力或核能发电厂接出来的，那么经由控制系统就可以使两者并联，互通有无。

3.扬水蓄能

采用扬水即抽蓄方式，即风力发电多时，用多的电把水抽往水库，缺电时再经水库放水，靠水力发电机组发电来支持，这种方法目前效率很低，也不经济。

4.氢能储能

采用氢能储能，风力发出的电可用来制取氢气(例如电解水)，氢能储存、运送也很方便，需要能量时利用燃料电池即可立即发电，以供使用。

5.压缩空气储能

采用压缩空气储能，以风力发电多余的电力(或机械动力)驱动空气压缩机，把空气压缩存入地下洞穴或人造地洞中，需要电力时，通过压缩空气驱动汽轮发电机组发电。

6.配合太阳能发电

一般来说，白天太阳光照强，风力较弱；夜晚没有太阳光照射，风力却比较强，太阳能与风能有互为消长的现象，因此把太阳能发电系统和风力发电系统并联起来，可使供电变得较为稳定。

二、风能、太阳能互补发电

2008年8月，在渤海之滨，北京奥运会青岛帆船赛基地，出现了41根奇特的路灯。这些路灯头顶风车，肩披太阳能电池组件，不用耗电就能照明。这些路灯是奥帆赛“绿色奥运、环保奥运”的节能照明尝试举措之一——风光互补户外照明系统。

什么是风光互补呢?所谓风光互补，简单地说，是指将风能和(光能)太阳发电系统结合应用，产生电能发电。

风能和太阳能各有优劣，除去地理自然环境限制之外，就成本而言，风机制造成本只是太阳能电池组件的五分之一，二者结合，可以适当互补，形成独立电源。从理论上来讲，利用风光互补发电，二者实现以风电为主是最佳匹配方案。有光照的时候通过太阳能电池组件将光能转换为电能，有风的时候利用风机发电，二者均无的时候可以利用蓄电池储备的能源运转。风光互补并不是简单地将风能和太阳能相加就可以，其间涉及一系列复杂的技术数据与工艺流程。并且还要考虑应用地的气候、日照时间、最高最低风量、噪声等一系列外部因素，配置风机和光电板的转换参数，要做到不停电，同时要能对抗恶劣天气，安全性能好。就风速而言，目前国外大机组要求平均风速在8米/秒以上才可以启动发电，而风光互补的小风机则要满足我国不少地区年平均风速为2.5米/秒，仅相当于2级风的低风就可启动的要求。

另外，风光互补系统对制造材料还有特殊要求，比如沿海地带，海风含盐分高，腐蚀性强，就要求用特殊的不锈钢材料制作；而在内蒙古、青海等内陆地区，风含沙量高，设备易磨损，就要选择耐磨的材料，并对裸露部件增加密封装置，把风沙挡在外头。

风光互补具备很多优势。利用风光互补系统照明无须挖沟埋线、不需要输变电设备、不消耗市电、安装任意、维护费用低、低压无触电危险，使用的是洁净可再生的能源。

风光互补的应用方向不应以联网发电为主，而是以民用为主，比如照明、家庭、工厂、大厦的独立电源。在欧美的许多国家，许多居民在家里的别墅屋顶安装一套风光互补发电系统，竖一根风车，再在屋顶放置一排太阳能电池组件，这样，整个别墅的生活用电就完全可以解决了，不用付电费，也不用拉电缆，这已是很多家庭习惯的能源消费方式。

三、风力机的种类及特征

风力发电的关键在于风力机。从古至今，人们发明和使用了很多种风力机。随着风能利用技术的发展和风力机应用范围的拓宽，风力机的种类和式样也在逐步增加，风力机的家族成员不断增多。

1.根据风力机不同的用途和标准分类

根据风力机不同的用途和标准分类，风力机可以作如下分类:

(1)按风力机主轴与地面相对位置，分为水平轴风力机和垂直轴风力机；

(2)按风力机额定功率的大小，分为微型风力机(小于1千瓦)、小型风力机(1～10千瓦)、中型风力机(10～100千瓦)和大型风力机(大于100千瓦)；

(3)按风能利用的用途，分为风力发电机、风力提水机和风力致热机；

(4)按风轮叶片的数量，分为单叶片风力机、双叶片风力机、三叶片风力机和多叶片风力机；

(5)按风轮叶片的工作原理，分为升力型风力机和阻力型风力机；

(6)按风轮叶片的制造材料，分为木质风力机、金属风力机和玻璃钢复合材料风力机等；

(7)按叶尖速比，分为高速风力机(叶尖速比大于5)、中速风力机(叶尖速比介于2～5)和低速风力机(叶尖速比小于1)；

(8)按风轮叶片的形状，分为螺旋桨型风力机、风杯型风力机、h形风力机等。

2.依风轮的结构及其在气流中的位置分类

现代风力发电机的类型主要是三叶片的高速水平轴风力机。风力机将风能转变为机械能的主要部件是风轮。因此，最常用的分类方式是依风轮的结构及其在气流中的位置，将风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类。

(1)水平轴风力机的种类及特征

①螺旋桨式风力机。风力发电使用最多的是螺旋桨式风力机。常见的是双叶片和三叶片风力机，但也有一片或四片以上的风力机。这种风力机的翼形与飞机翼形相类似，为了提高启动性能，尽量减少空气动力损失，多采用叶根强度高、叶尖强度低、带有螺旋角的结构。螺旋桨式风力机至少也要达到额定风速才能输出额定功率，为了使风向正对风轮或回转平面，需要进行方向控制。

②荷兰式风力机。欧洲(特别是荷兰和比利时)使用的荷兰式风力机，大型的有直径超过20米的机组。

③多翼式风力机。多翼式风力机在美国的中、西部的牧场大部分用来提水，19世纪末有数百万台。多翼式风力机装有20枚左右的叶片，是典型的低转速大扭矩风力机，目前不仅在美国使用，在墨西哥、澳大利亚、阿根廷、南美等地也有相当的数量在使用。美国风力涡轮公司最近研究的自行车车轮式风力机，48枚中空的叶片作放射状配置，性能比过去的多翼式风力机大有提高。用来发电的发电机用皮带或齿圈传动。

风力发电机结构示意图

④帆翼式风力机。布制帆翼式风力机在地中海沿岸及岛屿有很长的应用历史，大型的有直径为10米、20枚叶片的，但大多数为直径4米、6～8枚叶片。绝大部分用来提水，一小部分用来磨面。

⑤涡轮式风力机。涡轮式风力发电机和燃气涡轮、蒸汽涡轮一样由静叶片(定子)和动叶片(转子)构成，这种风力机尤其适用于强风地区。

⑥多风轮式风力机。这是美国的瓦·毕罗尼玛斯提出的一种设想，他把许多风轮安装在一个塔架上，整个机组在海上漂浮，使用由许多风轮组成的发电设备。这种设备因为设置在海上，可以把发出的电力用于电解海水，储存氢气和氧气。不过这种风力机目前还处于设想阶段。

在水平轴风力机中，具有代表性的是螺旋桨式水平轴风力机和荷兰式风力机。

(2)垂直轴风力机的种类及特征

①萨布纽斯式风力机。萨布纽斯式风力机是20世纪20年代发明的垂直轴风力机，它以发明者萨布纽斯的名字命名(我国有时称它为S形风力机)。这种风力机通常由2枚半圆筒形的叶片构成，也有用3～4枚的。这种风力机往往上下重叠多层。效率最大不超过10%，能产生很大的扭矩。在发展中国家有人用它来提水、发电等。

②费特·肖奈达式风力机。这种风力机是由德国费特公司的工程师肖奈达发明的，费特·肖奈达螺旋桨垂直地安装在船底下部作为船的推进器。把这种费特·肖奈达叶片上下相对可制成风力机，其工作原理和旋转涡轮式风力机相类似。

③达里厄型风力机。达里厄型风力机是一种新开发的垂直轴式风力机，以法国发明者达里厄的名字命名，其叶片多为2～3枚。该风力机回转时与风向无关，是升力型的。它装置简单，成本也比较便宜，但启动性能差，因此也有人把这种风力机和一部萨布纽斯风力机组合在一起使用。

④旋转涡轮式风力机。是垂直轴升力型旋转涡轮式风力机，这种风力机垂直安装3～4枚对称翼形的叶片，结构复杂，价格也较高，但它能改变桨距，启动性能好，能保持一定的转速，效率极高。这种风机也有把同样的叶片固定安装的形式。

⑤弗来纳式风力机。在气流中回转的圆筒或球，可以使该物体周围的压力发生变化而产生升力，这种现象叫马格努斯效应，利用这个效应的发电装置叫弗来纳式风力发电装置。在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在小车轴上的发电机发电。这种装置是1931年由美国的J.马达拉斯发明的，并实际制造了重15吨、高27米的巨大模型进行了实验。

水平轴风力机

帆翼式风力机

涡轮式风力发电机

⑥S形和D形组合式风力机。这种风力机是在同一根立轴上装有S形和D形叶片，S形叶片可产生较大的启动力矩，D形叶片有较高的风能利用系数。为提高性能，两者间的合理匹配很关键。

⑦可变几何垂直轴风力机。这是一种可以自动调速的D形风力机。当风力过大，风轮转速升高，在离心力作用下，使叶片截锥形改变，扫风面积减小，从而使风轮转速降低。

(3)水平轴风力机与垂直轴风力机的比较

水平轴风力机与垂直轴风力机的比较见表。

表 水平轴风力机与垂直轴风力机的比较

三、陆地风力发电场

我们都知道堂·吉诃德的故事。在塞万提斯的小说里，堂·吉诃德曾经骑着一匹瘦马，手持长矛大战风车。随着文明的发展，在故事中被堂·吉诃德认为是“不法巨人”的风车，如今早已从那遥远国度来到了我们的身边，并且为我们所用。从西北戈壁到东南沿海，我们都可以看到高耸入云的洁白“风车”成片矗立在天地之间，蔚为壮观，那些就是利用风力发电的风电场。

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。一座座风力机整齐地排列在一起，就像农田里的庄稼一样。在一块土地上种植农作物，收获的是粮食；“种植”风力发电机，收获的是源源不断的电能，这种收获要比种植农作物的收获大得多，于是人们形象地将风电场称作“风力田”或“风力农场”。

美国最早提出风电场的概念。20世纪80年代初，在美国的加利福尼亚州旧金山附近建立起一座风电场，它由20台50千瓦的风力发电机组成，总容量为1兆瓦。后来，在加利福尼亚州又相继建成十几座风电场，其中的一座由600台风力发电机组成，总装机容量达30兆瓦。

现代大型风力发电机单台容量一般为600～1000千瓦。目前国际上研制的超大型风力发电机单机容量也只为6兆瓦。对于一个大型发电场来说，其容量还是很小的。因此，我们一般将十几台或几十台风力发电机组成一个风电场，这样既形成一个强大的供电体系，也便于管理，实现远程监控。同时，也降低了安装、运行和维护的成本。

新疆达坂城风电场

我国从1985年开始在山东半岛、福建平潭岛建立小规模示范性风电场，选用国产中型机组和引进先进机型，取得很好的效果。后来在新疆、东南沿海一带建立了风电场。国内最著名的风电场是新疆乌鲁木齐附近的达坂城风电场，总装机容量为1.68万千瓦。

截至2007年底，我国大陆已建成风电场158个，累计安装风电机组6469台，装机容量达到590.6万千瓦。国家发改委出台的《可再生能源发展“十一五”规划》明确，要重点建设30个左右10万千瓦以上的大型风电场和5个百万千瓦级风电基地。

发展风电场对风电资源的要求比较严格。首先是要求当地的风能资源比较丰富，风力发电机在设计风速下，全年运行时数不低于2500小时，安装地点的年平均风速不低于7.2米/秒。其次，风电场必须和电网或常规电站并联运行，电网容量应比风电场装机容量大10倍，才能保证风电场发电的稳定性。风电场是风力发电的主要发展方向，是未来大规模开发利用风能的最主要形式。

四、海上风力发电场

以上说的是陆地上的风电场，海上风电场不但出现在人们的视野中，而且进入大规模发展阶段。

从丹麦的埃斯比约港向北海眺望，可以清楚地看到，霍恩礁海上风电场80个巨型风涡轮的叶片在距离海岸20千米的高空转动。这个风电场是目前世界上最大的海上风电场，它能提供160兆瓦的电力，足以满足15万个家庭一年的电力需求。

世界上对海上风电的研究与开发始于20世纪90年代，经过十多年的发展，海上风电技术正日趋成熟，并开始进入大规模开发阶段。目前，全世界海上风电总装机容量已达90万千瓦，其中丹麦、英国、爱尔兰、瑞典和荷兰等国家发展较快。丹麦在风电制造和利用方面一直处于世界前列，丹麦6%的电力来自海上风电场。

海上风电场一般都在水深10米、距海岸线10千米左右的近海大陆架区域建设。与陆上风电场相比，海上风电场的优点主要是不占用紧缺的土地资源，基本不受地形地貌影响，风速更高，风能资源更为丰富，对环境的负面影响较少；风电机组单机容量更大，年利用小时数更高。对景观和噪声的要求可以放宽。发电量比陆上风电场高20%～40%。目前，海上风电机组的平均单机容量在3兆瓦左右，最大已达6兆瓦，风电机组年利用小时数一般在3000小时以上，有的高达4000小时左右。

丹麦的海上风电场

与陆上风电场相比，海上风电场建设的技术难度较大。海上风电场建设前期工作更为复杂，需要在海上竖立70米甚至100米的测风塔，并对海底地形及其运动、工程地质等基本情况进行实地观测；海上风电场需要考虑风和波浪的双重载荷，海上风电机组必须牢固地固定在海底，其支撑结构(主要包括塔架、基础和连接等)要求更加坚固；海上气候环境恶劣，天气、海浪、潮汐等因素复杂多变，风电机组的吊装、项目建设施工以及运行维护难度更大；所发电能需要铺设海底电缆输送，加之建设和维护工作需要使用专业船只和设备，所以海上风电的建设成本较高，一般是陆上风电的2～3倍。

对发展海上风电场来说，目前还没有真正意义上的海上专用兆瓦级风力机。目前全球海上风电场使用的风力机均为陆上风力机改造而成，而复杂的海上自然条件使得风机故障率居高不下。此外，大规模海上风电开发形成的巨大电能将使陆地电网难以承受。

尽管如此，开发海上风电将是今后风电利用的重要方向。

我国风能资源丰富，初步估算，海上可开发风能资源约7.5亿千瓦，具有开发利用风电的良好市场条件和巨大资源潜力。

五、人造龙卷风发电

龙卷风力大无穷，如果利用龙卷风的巨大风力进行发电，是一个很好的设想。自然界的龙卷风来无影，去无踪，来的时候飞沙走石，拔树倒屋，走了之后一片狼藉，难以驾驭，无法对其加以利用。但是，如果能人工制造可控制的龙卷风，用其利，避其害，就能为人类提供无限的绿色能源。

龙卷风力大无穷。当自然界的龙卷风涡旋直径为200米时，其功率可达3万兆瓦，相当于10座巨型电站的功率。龙卷风的威力如此巨大，是因为气流旋转导致龙卷中心的气压极低，只有200百帕左右，而标准大气压是1013.25百帕，因此，上升型龙卷风具有强烈的“抽吸”地面物体的作用，下曳型龙卷风有向地面“喷射”气体的作用。

既然龙卷风的直径可以小至几米，那么人工制造“龙卷风”就不是很困难的事了。首先，利用对流层空气上升与下降的规律，使空气快速流动。可以沿陡峭山体或高层建筑，或者依靠高高的支架搭建一个大口径的管道，通过这个管道生成“人造龙卷风”。这个管道的内直径一般在3米以上，垂直高度达到1000米左右或500米左右。这样，可获得3℃～6℃左右的梯度温差动力，为热空气上升或冷空气下降创造了一个局部环境，空气流即可在管道内快速上升或下降。

利用对流层温度随高度递减规律，通过搭建大口径管道，达到相应的垂直高度，获取足够的梯度温差，即可为“人造龙卷风”提供原始动力。对于上升型人造龙卷风来讲，类似于烟囱抽吸烟尘，或类似于喀斯特地质区常见的四季吹风的“凉风洞”，一旦大口径管道内气体流动，即可引发一万多米高的大气柱，以每平方米约10吨的重力向管内压迫。

其次，是在大口径管道内壁铸造或安装间断性螺旋脊(类似螺母的脊)，利用这种固相结构迫使管内流动气体沿螺旋脊旋转，从而形成中心呈负压的高速气旋，由此产生龙卷风效应。可以将这种螺旋脊铸造为“机翼形”，即一侧水平，另一侧弧形。弧形面气流速度较快，压力较小，因为管道固定，所以驱使气流向压力小的方向流动。弧形面朝向气流前进的方向，使气流前端压力小于后端压力，以加速气体向前流动。

用这种装置及方法可以获得五种动力:一是大气梯度温差产生的空气温差动力；二是对流层气柱高出人造龙卷风生成管道顶端平面的气柱压力(连通器效应)；三是气流在管道内旋转产生的气旋中心负压(上升型龙卷风效应)或正压(下曳型人造龙卷风)；四是“机翼形”螺旋脊产生的气流压差动力(升浮力)；五是管道高端经常性的自然风对管道内空气的“抽吸力”。一旦管道内空气流动，这五种力即产生综合作用而形成强大的龙卷风效应。

利用这种装置及方法既可以制造“上升型人造龙卷风”，也可以制造“下曳型人造龙卷风”。制造上升型人造龙卷风生成管道时，北半球铸造为逆时针上升螺旋脊，南半球铸造为顺时针上升螺旋脊。制造下曳型人造龙卷风生成管道时，北半球铸造为顺时针下降螺旋脊，南半球铸造为逆时针下降螺旋脊。利用“龙卷风”效应所产生的强大动力，带动低端管道内的风力发电机发电。

这样，气体上、下流动均可以得到充分利用，如若大力开发，对流层的大气完全能够满足人类对绿色能源的需求。

原则上，在对流层一定范围内，铺设管道的垂直高度越高，梯度温差越大，气流速度越快，气流动力越大；管道内径越大，单位时间内流量越大，其功率越大；管道坡度越陡，气流阻力越小，流速也越快。所以，人造龙卷风的功率主要取决于龙卷风生成管道的内径、垂直高度(梯度温差)和陡度。具体操作时，可根据设计规模要求不同而定。一处陡峭高山既可以建造上升型人造龙卷风发电装置，也可以同时建造下曳型人造龙卷发电装置。一套人造龙卷风生成管道设备可连接安装一个至数个大功率风力发电机组。这样，一处适宜山体可以铺设一条或数条龙卷风生成管道，可以建设中型至大型的人造龙卷风发电站。

人造龙卷风发电克服了现有自然风力发电的三大缺陷(风能密度小、不稳定、地区差别大)，可以提供一种持续、稳定的大功率绿色能源。