《小型风力发电机应用设计新技术》概 论一、你见过风力发电机吗你见过风力发电机吗？如果你还没有见过一台真正的风力发电机的话，那么，有一样东西，你肯定是不会陌生的，那就是儿童们逢年过节玩耍的“风车”，风力发电机就是由它逐渐演变而来的那么，就让我们先从“风车”谈起吧玩具风车产生的年代较早，在辽阳三道壕出土的东汉晚期汉墓壁画中就已出现，由此可以推断，这种风车至少已有1700多年的历史了除上面谈到的汉墓壁画外，有关风车的记载，还可见于明代刘侗所著《帝京景物略》一书，在该书中是这样介绍风车的：“剖秫秸二寸，错互贴方纸其两端纸各红绿，中孔以细竹横安秫竿上，迎风张而急走，则旋转如轮，红绿浑浑如晕，曰‘风车’不难想像，如果根据同样的原理，只要采用强固的材料来替换玩具风车所用的秫秸，并从尺寸上加以适当放大，便成为一台生产上可以用作动力的水平轴风力机，如果再配以发电机，并组成一个整体的话，那就成了一台风力发电机风力发电的研究利用是从20 世纪初开始的20 世纪70年代由于石油危机，油价上涨，以及大量使用矿物燃料给环境造成了严重污染，各种因素促使风力发电得到迅速发展，并出现了许多风电场随着不可再生的矿物燃料不断被消耗，其储量越来越少，风能将是人类未来重要的能源之一。
二、哪些地方可以推广应用风力发电机生活在农区、牧区的居民，边远地区的边防部队、哨所、海岛驻军，内陆湖泊和近海滩涂养殖业及沿海岛屿的渔民，可以使用推广还可用于地处野外高山的微波站、光缆通信、航标灯、电视差转台站、气象站、森林中的了望烽火台和石油天然气输油管道等这些地方绝大部分处在风能资源丰富地区，通过采用风力发电机、风力发电机/柴（汽）油互补发电或风力发电机/太阳电池互补发电，既可以保证全天24小时供电，又节约了燃料和资金，同时还减少了对环境的污染，可谓一举三得，经济效益和社会效益十分显著三、我国已经生产了多少台风力发电机截止2000年底，我国累计生产各种小型（10千瓦以下）风力发电机组197 940台，见表1-1总装机容量为50 277万千瓦，年发电量7 066千瓦时其中，内蒙古144 517台，占73%所生产的小型风力发电机组，除满足国内用户需要外，还出口远销到印尼、瑞典、德国、日本、韩国、蒙古、法国、古巴、越南、泰国、马来西亚、缅甸等23个国家和地区，累计出口各种小型风力发电机组近5000台我国小型风力发电机组保有量、年产量、生产能力均列世界之首海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”，社会主义市场经济已为我国各项事业的发展开辟了一条广阔的道路，随着我国加入WTO，我国风力发电机的研究与推广应用，将随着理论研究的不断提高和生产技术的日臻完美，在国民经济中、在人民的日常生活中，将发挥越来越重要的作用。
小型风力发电机与风能利用二、风是怎么形成的1.什么是风提到风，谁都会说出很多切身的体会如微风吹过脸颊时的舒爽，狂风刮过时的树叶纷飞、飞沙走石的情景，如果遇上可怕的龙卷风，那将是拔树毁屋的恐怖景象，凡是见过的人无不“谈风色变”总之，风有时友好有时又不近人情，来无影去无踪让人捉摸不透风到底是什么，用科学的说法就是：地球表面的空气水平运动称之为风太阳辐射对地球表面不均匀性加热是形成风的主要成因太阳对地球的辐射，透过厚厚的大气层，到达地球表面，地球表面各处（海洋和陆地；高山岩石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地区）吸收热量不同；由于地球自转、公转、季节、气候的变化和昼夜温差的影响，使地表各处散热情况也各不相同，散热多的地区，靠近地表的空气受热膨胀，压力减少，形成低气压区，这时空气从高气压区向低气压区流动，这就产生了风地形、地貌的差异，地球自转、公转的影响，更加剧了空气流动的力量和流动方向的多变性，使风速和风向的变化更加复杂2. 风的种类为了区别不同的风，我们给它们都取个名字下面就让我们分别认识它们吧1）贸易风：在地球赤道上，热空气向空间上升，分为流向地球南北两极的两股强力气流，在纬度30 度附近，这股气流下降，并分别流向赤道与两极。
在接近赤道地区，由于大气层中大量空气的环流，形成了固定方向的风，自古以来，人们利用这种定向风，开展海上远程贸易，所以称为贸易风由于地球自西向东旋转的结果，贸易风向西倾斜，此时北半球产生了东北风，而南半球则产生了东南风，如图2-1所示2）旋风和反旋风：由两极流向赤道的冷空气气流与由赤道流向两极的热空气气流相遇处（约在纬度50~60度附近）构成了涡流运动，为旋风和反旋风，而非定向的、常见的环流地形的差异（如陆地、海洋、山岳、森林、沙漠）使在同一纬度上受到程度不同的加热，因而产生了地区性风3）轻风：由于昼夜之间的温度变化而产生的沿海岸风称为轻风当日间有太阳时，陆地所接受的热量较海洋强烈，因而陆地上空的空气较轻，于是陆地上空的空气向上升，冷空气力图白海洋流向沿岸陆地，于是产生了海风陆地上的热空气则流向海洋，到离海岸某一距离处下降而在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却较快，因此，陆地上的下层空气流向海洋，而上层空气则由海洋流向陆地，形成了与白昼相反的风向，称为陆地风（图2-2）轻风方向的更换决定于地形条件海风通常自上午9~10时开始，陆地风则在日落以后开始轻风仅在沿海岸才遇到，流动可及的距离约为在海洋和陆地两方各40千米之间。
4）季节风：陆地上每年的温度变化较海洋大，同样也引起与轻风相似，但具有季节性的气流循环，它的强度大于轻风的气流循环强度，这种风称为季节风5）平原和山岳风：山岳地区在一昼夜间有周期性的风向变换，与轻风相似，平原风每日上午自9—10时至日落沿山岳的坡度向高处流动，在夜间则与此相反，气流自山岳流向平原，形成了山岳风如果平原处于海岸处，则会引起特别强劲的风，因在夜间，山岳风被陆地风增强了，而在日间，平原风被海风增强夜间的山岳风是由于山顶的冷空气具有较大密度，流向平原，形成夜间山岳风平原风的产生则是由于日间山岳斜面上的空气较热于平原上的空气，因此地势低处的空气膨胀，引起空气流动3.风的特性风作为一种自然现象，有它本身的特性通常采用风速、风向、风频等基本指标来表述1）风速：空气在单位时间内运动的距离，用米/秒或千米/时作为计量单位例如空气在1 秒钟内运动了3米，那么风速就是3 米/秒由于风是不断变化的，通常所说的风速是指一段时间内各瞬时风速的算术平均值，即平均风速风速可由测风仪测量得到2）风速随高度的变化：从地球表面到10 000米高空层内，空气的流动受到涡流、黏滞和地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而增大。
通过实验，我们常用的计算风速随高度的变化的公式有指数公式：υ=υ1 （h/h1）n （2-1）对数公式：υ=υ1 （1gh/h0）/ 1g（h1/h0） （2-2）式中：υ1———高度为h1的风速；h0———风速为零的高度；n———值取决于地面的平整度（粗糙度）和大气的稳定度，取值范围为1/8~1/2在开阔、平坦、稳定度正常的地区，n 值取1/73）风频：分为风速频率和风向频率风速频率：各种速度的风出现的频繁程度对于风力发电的风能利用而言，为了有利于风力发电机平稳运行，便于控制，希望平均风速高、而风速大小变化小风向频率：各种风向出现的频繁程度对于风力发电的风能利用而言，总是希望某一风向的频率尽可能的大二、风能的特点和限制性1.风能的特点大家可能深有体会，在大风中会站立不稳，说明风具有能量风所具有的动能我们称为风能，是指空气相对地面做水平运动的时候所产生的动能根据理论计算和实践结果，我们把具有一定风速的风，通常是指3米/ 秒到20米/秒的风作为一种能量资源加以开发，用来做功（如发电），我们把这一范围的风称为有效风能或风能资源。
因为风速低于3米/秒时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20米/秒时，它对风力发电机的破坏性很大，很难利用那么风速和我们常常听到的“几级风”有什么关系呢？世界气象组织将风力分为13个等级，如表2-1 所示，在没有风速计的时候，可以根据它来粗略估计风速大风所具有的能量是很大的风速为9~10米/秒的5 级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为10 千克；风速为20米/秒的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为50千克；风所含的能量比人类迄今为止所能控制的能量要大得多2.风能的优点和局限性风能与其他能源相比，有明显的优点，但也有其突出的局限性1）风能的优点①蕴藏量大：我们已知道风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽、用之不竭的可再生能源根据计算，太阳至少还可以像现在一样照射地球60亿年左右②无污染：在风能转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境③可再生：风能是靠空气的流动而产生的，这种能源依赖于太阳的存在只要太阳存在，就可不断地、有规律地形成气流，周而复始地产生风能，可永续利用④分布广泛、就地取材、无需运输：在边远地区如高原、山区、岛屿、草原等地区，由于缺乏煤、石油和天然气等资源，给生活在这一地区的人民群众带来诸多不便，而且由于地处偏远、交通不便，即使从外界运输燃料也十分困难。
因此，利用风能发电可就地取材、无需运输，具有很大的优越性⑤适应性强、发展潜力大：我国可利用的风力资源区域占全国国土面积的76%，在我国发展小型风力发电，潜力巨大、前景广阔2）风能的限制性①能量密度低：由于风能来源于空气的流动，而空气的密度很小，因此风力的能量密度很小，只有水力的1/816②不稳定性：由于气流瞬息百变，风时有时无，时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显③地区差异大：由于地形变化，地理纬度不同，因此风力的地区差异很大两个近邻区域，由于地形的不同，其风力可能相差几倍甚至几十倍三、我国风能资源区划根据国家气象局气象研究院的估算，我国的地面风能潜力理论可开发的总量全国为32.26亿千瓦，10米高度层实际可供开发量为2.53亿千瓦，可开发的风能资源是十分丰富的为了充分开发利用丰富的风能资源，在研究了各地风能资源差异的基础上，进行了风能资源区划，为设计、生产部门研制风力机以及广大用户选购风力机提供科学依据，并为政府部门制定能源规划提供参考我国风能资源区划在我国的不同地区，风能资源是不同的我国风能资源可划分为4种类型：（1）风能资源丰富区：这一区域的有效风能功率密度在200瓦/米2以上，风速不低于3.5 米/秒的时间，全年为7 000~8 000小时左右。
2）风能资源较丰富区：这一区域的有效风能功率密度为150瓦/米2 以上，风速不低于3.5米/秒的时间，全年为4 000小时以上3）风能资源可利用区：这一区域的有效风能功率密度为50瓦/米2以上，风速不低于3.5米/ 秒的时间，全年为2 000小时以上4）风能资源欠缺区：这一区域的有效风能功率密度50瓦/ 米2以下，风速不低于3.5米/秒的时间，全年为2 000小时以下根据全国气象台站风能资料的统计和计算，表2-2 给出我国风能区占全国面积的百分比四、什么样的风能对人类有用风虽然随处可见，但是也有可利用和不可利用之分，它与风速有直接关系根据上面风能资源区划，年平均风速小于2米/秒的地区，其潜能很低，至少目前没有什么利用价值年平均风速在2~。