风能的利用历史

四、风能的利用 历史

风能是一种可再生的滔滔能源，是太阳能的一种转化形式。风能是人类利用历史最悠久的能源和动力之一，如风力磨坊、风力提水、风帆助航，以及后来的风力发电等。

1.风力发电技术出现以前的风能利用

风能利用已有数千年的历史。风能最早的利用方式是“风帆行舟”。我国是最早使用帆船和风车的国家之一。我国在商代就出现了帆船，明代航海家郑和七下西洋，开创了中国辉煌的风帆时代。同时，风车也得到了广泛的使用，人们利用风车驱动水车灌溉农田。沿海地区利用风力提水灌溉和制盐的做法一直延续到20世纪50年代。古代波斯和中国的垂直轴风车如图1-3所示。

在国外，约公元前200年，波斯人也开始利用垂直轴风车碾米。10世纪，伊斯兰人利用风车提水；到11世纪，风车广泛应用在中东地区；13世纪风车技术传到欧洲；14世纪风车成为欧洲不可缺少的原动机。

风力磨坊是当时最具代表性的利用风能的风力机械。早期的风力磨坊通常有四个叶片，并且垂直于主风向安装，叶片不能自动跟踪风向，风能不能得到充分利用。为了解决叶片自动对风的问题，德国人发明了一种栅架式风力磨坊，如图1-4所示。栅架固定在地面上，叶片和风力磨坊的主体建筑由栅架支承，并且叶片可以随风向转动，但这种风力磨坊的造价很高。

风力提水机也是早期人们广泛使用的风力机械。10世纪伊斯兰人就利用风车提水。19世纪的欧洲大约有数十万台风力提水机，风轮直径最大可达25 m，功率为30 kW。特别是19世纪的美国，有数百万台多叶片风力提水机，风轮直径为3～5 m，功率为0.5～1 kW，如图1-5所示。由于叶片数量较多，风轮转速较低，能够产生较大的转矩，因此可以直接驱动恒定转矩的水泵。在风轮的背风面安装一块尾翼，从而保证风轮旋转平面和风向垂直。当尾翼转动90°时，风轮和风向平行，风力提水机停止运行。

随着风力磨坊、风力提水机等一些风力机械的广泛应用，人们对风的特性有了进一步认识，从而为风力发电奠定了理论基础。

2.风力发电技术的发展历史(https://www.daowen.com)

风能利用具有悠久的历史，而将风能用于发电却只有一百多年的时间。回顾风力发电的发展历程，大致可分为三个阶段。

1）风力发电技术的创始阶段

19世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机。1891年世界上第一座风力发电站在丹麦建成，该风力发电站采用蓄电池充放电的方式供电，获得了成功，并得到了推广。丹麦人研制的风力发电机组如图1-6所示。到1910年，丹麦已建成100座容量为5～25 kW的风力发电站，风力发电量占全国总发电量的1/4。从1891年至1930年，小容量的风力发电机组技术已经基本成熟，并得到了广泛的推广和应用。

2）风力发电技术的徘徊发展阶段

20世纪30年代初到60年代末为风力发电的第二个发展阶段，此时风力发电处于徘徊阶段。在这一阶段，美国、丹麦、英国、法国等欧美国家开始大力研发技术相对复杂的大、中型风力发电机组，渴望探索到廉价的能源。

美国在20世纪30年代还有许多电网未到达的地区，独立运行的小型风力发电机组在实现农村电气化方面起了很大作用。当时的风力发电机组多采用木制叶片、固定轮毂和侧偏尾舵调速，单机容量的范围为0.5～3 kW，其结构如图1-7所示。

对于如何将风力发出的电送入常规电网，科技工作者曾经做过许多尝试。美国制造的1250 kW的风力发电机组，其风轮直径为53 m，安装在佛蒙特州，于1941年10月作为常规电站并入电网，后因一个叶片在1945年3月脱落而停止运行。

另外，法国、苏联和丹麦也研制过百千瓦级的风力发电机组，其中对后来的风力发电机组技术的发展产生过重要影响的是丹麦200 kW Gedser风力发电机组，它从1957年运行到1966年，平均年发电量为45万千瓦时。该风力发电机组采用异步发电机、定桨距风轮和叶片端部有制动翼片的结构，后来这种结构方式成为丹麦风力发电机组的主流，在市场上获得了巨大成功。丹麦采用异步发电机、定桨距风轮和叶片端部有制动翼片结构的风力发电机组如图1-8所示。

3）风力发电技术的迅猛发展阶段

20世纪70年代到80年代中期，美国、英国和德国等国的政府投入巨资开发单机容量在1000 kW以上的风力发电机组，承担该课题的都是著名的大企业，如美国波音公司研制的单机容量为2500 kW的风力发电机组的风轮直径约为100 m，塔高为80 m，安装在夏威夷的瓦胡岛。1983年，波音公司研制的MOD-5b型风力发电机组投入运行，其额定功率为3200 kW，风轮直径达98 m，如图1-9所示。英国的宇航公司和德国的MAN公司分别研制了3000 kW的风力发电机组，但是这些巨型的风力发电机组都未能正常运行，因为其发生故障后维修非常困难，经费也难以维持，所以没有能够发展成商业风力发电机组，未能形成一个适应市场需求的风力发电机组制造产业。

20世纪90年代初，丹麦维斯塔斯公司生产了一台55 kW/11 kW的风力发电机组，其技术先进，可靠性高。由于选用了两种不同功率的电机，因而在低风速和高风速时风能都能得到充分的利用，因此该风力发电机组被称为现代风力发电机组的雏形。

我国利用风力发电始自20世纪70年代，发展微小型风力发电机，为内蒙古、青海的牧民提水饮用及发电照明，容量在50～500 W不等，制造技术成熟。但是我国大、中型风力发电机组的发展起步较晚，直到20世纪80年代才开始自行研制。首次尝试研制中型18 kW的风力发电机组是在1977年，当时研制的FD13-18型风力发电机组［水平轴，三叶片（直升机退役桨叶）的直径为15.6 m，额定功率为18 kW的半导体励磁恒压三相同步发电机］，安装在浙江省景宁县英川镇茶园村的山上。由国内8家单位联合研制的中国首台大型200 kW的风力发电机组在浙江省苍南县矾山镇鹤顶山完成2000 h的运行试验。

2005年我国通过《中华人民共和国可再生能源法》后，风力发电产业迎来了加速发展期。

据统计，2016年我国风力发电新增装机容量为1930万千瓦，累计并网装机容量达到1.49亿千瓦。我国研制的600 kW的风力发电机组如图1-10所示。