风力发电新技术与发电系统设计应用基础：概论

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2、########第一章!概!!论一、风能利用的历史人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年前，他们就开始用风帆来帮助行船（如图"#"所示），波斯和中国也很早开始利用风能，主要是使用垂直轴风车（如图"#$所示）。图"#"!%&&&年前埃及古画上的帆船中国是最早使用帆船和风车的国家之一，在距今"’&&年以前，东汉刘熙所著的《释名》一书上，对帆字作了“随风张幔曰帆”的解释。明代以后风车利用较普遍

3、，宋应星的《天工开物》一书中记载有：“扬扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”，这是对水平风车的一个较完善的描述。方以智著的《物理小识》记载有：“用风帆六幅，车水灌田，淮扬海皆为之”。童冀在他的《水车行》中有：“零陵水车风作轮，缘江夜响盘空云，轮盘团团经三丈，水声却在风轮上，⋯⋯”，描述了利用风帆驱动水车灌田的情景。欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴的风车，"’世纪荷兰曾利用近万座风车将海堤内的水排干，造出的良田相当于国土面积的三分之一，成了著名的风车之国。这种风车在欧洲大陆和英国的乡村是很普遍的，成为机

4、械能的主要来源（如图"#·(·第一编$风力发电新技术与发电系统设计应用基础#######################################图!"#$古代波斯和中国的垂直轴风车%所示）。图!"%$中世纪的欧洲风车磨坊!&世纪中叶以后，美国大规模开发西部，为了解决人畜饮水问题，制造了金属叶片的风轮，驱动活塞泵用于提水，成为有名的美国农场风车（如图!"’所示），拥有量曾达到())万台。中国创造的立帆式垂直轴风轮，是将*个帆各编在一个直立的杆上，各帆的正中上端则各由一绳系之，当地称此为走马灯式风车（如图!"+

5、所示）。中国沿海沿江地区的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到#)世纪·’·第一编$风力发电新技术与发电系统设计应用基础#######################################图!"#$美国农场风车图!"%$立帆式垂直轴风车%&年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备曾达’&万台（如图!"(所示）。在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高，效率低，使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动

6、机等相竞争，渐渐被淘汰。例如荷兰现存几百座风车，被作为文物保护起来，成为旅游景观（如图!")所示）。到了!*世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，·%·第一编$风力发电新技术与发电系统设计应用基础#######################################图!"#$斜杆风车图!"%$荷兰水平轴风车特别是&’世纪%’年代以后利用风力发电更进入一个蓬勃发展的阶段。二、风力发电的发展·#·第一编;风力发电新技术与发电系统设计应用基础######################

7、#################（一）风力发电的特点风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组（简称风电机组）是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。在理论上，最好的风轮只能将约!"#的风能转换为机械能。现代风电机组风轮的效率可达到$"#。在风电机组输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加%倍，输出功率增加&倍，可见风力发电的效率与当

8、地的风速关系极大。由于风速随时在变化，因此处在野外运行的风电机组承受着十分复杂恶劣的交变载荷。目前风电机组的设计寿命是’"年，要求能经受住!"()*的%%级暴风袭击，机组的可利用率要达到+,#以上。风力发电的运行方式主要有两类。一类是独立运行供电系统，即在电网未通达的偏远地区，用小型风电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般为