1.1　风与风能利用

风是大气层中高、低压区间的空气流动，是由太阳对地表的不均匀加热引起的。当上层空气由于受热而温度上升，形成一个低压区，周围压力高的空气在压力梯度作用下向低压区域流动，从而形成了风，因此风能也被称为“间接太阳能”。地球大气运动除受气压梯度影响外，还受到由于地球自转引起的地转偏向力的影响，大气的真实运动是这两种力综合影响的结果。除此之外，地球上的风还受到地表的影响。山坳和海峡能改变气流的运动方向，还能使风速增大；而丘陵、山地具有较大的摩擦阻力，使风速下降；孤立的高海拔山峰使流经的风速变大。

1.1.1　风能特点

风能与其他能源相比较，既有其突出的优点，又存在明显的局限性。

1.优点

（1）风能的储量巨大。据世界气象组织估计，地球上可利用的风能约为200亿kW。全世界每年燃烧煤炭获得的能量还不到风力在同一时间内所提供能量的1%。

（2）分布广。风无处不在，只要有空气的地方就会有风的存在。

中国气象局利用2386个气象站30年的历史资料进行了第三次风能资源评估，其结果如下：在陆地离地10m高度处，全国风能资源总储量为42.65亿kW，技术可开发量为2.98亿kW，潜在技术可开发量为0.78亿kW。

我国陆地风能密度大于150～200W/m2的地区占26%，风能密度为50～150W/m2的地区占50%。技术可开发的面积约为20万km2。

（3）可再生，无污染。风能主要来自太阳辐射，会源源不断地在大气层中生成。

（4）利用方式简单。风能利用机械简单，易操作。在新能源利用中，风力发电成本较之于太阳能发电低廉。

2.缺点

（1）风具有不稳定性。主要表现在以下方面：

1）风随时间不断变化。风随时间的变化包括每天的变化和季节的变化。通常一天之内风的强弱呈现周期性特征。例如，在地面上，夜间风很弱，白天较强；在100～150m的高空，正好相反。太阳和地球相对位置发生变化，使得地球上存在季节性的温差，因此风向和风的强度也会发生季节性变化。

2）风随高度不断变化。地面上的空气流动受到涡流、地貌及建筑物等因素影响，近地层风速较小，但越往高处风速越大。各种不同的地表情况，如城市、乡村和海边平地糙度不同，风速随高度变化，即风速廓线变化也不同。对于接近地面的位置，风速随高度的变化主要取决于地表粗糙度。粗糙度越大的地面，风速越慢。不同地形下的风速廓线如图1-1所示，z为垂直于地表高度。

3）风的变化具有随机性。一般所说的风速是指平均风速。通常自然风是一种平稳的气流与瞬间激烈变化的紊乱气流相互交叠的风。紊流所产生的瞬时高峰风速也叫做阵风风速。

（2）能流密度低。这是风能的一个重要缺陷。由于风能源于空气的流动，然而空气的密度很小，因此风力的能流密度也很小，只有水力的1/816。各种新能源的能流密度见表1-1。

（3）地区差异大。由于地形的影响，风力的地区差异十分明显。两个邻近的区域，有利地形下的风力往往是不利地形下的几倍，甚至是几十倍。

1.1.2　风能利用方式

自古以来，人类对风的利用和风的破坏作用就有了深远认识。远在1800年前，中国就已利用风帆进行航运。有文字记载“随风张幔曰帆”，以后又发明了帆式风车，在《天工开物》一书中就有“杨郡以风帆数页俣风转车，风息则止”的论述。在国外，公元前2世纪，古波斯人利用垂直轴风车进行碾米；10世纪时，阿拉伯人利用风车来提水；11世纪风车在中东已获得广泛的应用，图1-2为阿富汗地区早期的垂直轴风车图。13世纪时，风车传至欧洲，以后便成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰，风车先在莱茵河三角洲地区用于汲水，以后又用于榨油和锯木。现今，风能利用的主要形式是风力发电。

1.风力提水

风力提水由古至今一直得到了广泛的应用。至20世纪下半叶，为了解决农村、牧场的生活以及灌溉和牲畜的饮水问题，同时为了节约能源，风力提水机得到了很大程度地开发。现代风力提水机用途可分为两类：①是高扬程小流量的风力提水机，它与活塞泵相匹配，提取深井地下水，主要用于草原、牧区，为人畜提供饮用水；②为低扬程大流量的风力提水机，它与螺旋泵相匹配，提取河水、湖水或海水，主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。图1-3为一个完整的高扬程小流量风力提水系统。

2.风帆助航

在机动船舶发展的今天，为了节约燃油和提升航程、航速，古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达到15%。

3.风力制热

随着人民生活水平的提高，家庭用能中的热能需求量越来越大，特别是在高纬度的欧洲、北美地区，取暖、煮水等用途占耗能较大比例。为解决家庭及低品位工业热能的需求，风力制热有了较大的发展。

风力制热是将风能转换为热能。目前有三种转换方法：①风力机发电，将电能转换为热能；②由风力机将风能转换为空气压缩能，再换成热能，即由风力机带动离心压缩机对空气进行绝热压缩而放出热能；③风力机直接转换出热能。最简单的方式是搅拌液体制热，即风力机带动搅拌器转动，使液体变热；液体挤压致热，即用风力机带动液压泵，使工作液体加压后再从狭小的阻尼小孔中高速喷出而使工作液体加热；此外，还有固体摩擦致热和涡电流致热等方法。

4.风力发电

风力发电已越来越成为风能利用的主要方式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度很快。风力发电的运行方式有：①独立运行方式，通常是一台小型风力机向一户或几户提供电力，配备蓄电池蓄能，保证无风时用电；②风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；③风场风力发电并入电网运行，向大电网提供电力。这是风力发电的主要发展方向。

由于传统风力机存在较大的噪声，有时会导致蝙蝠和鸟类意外撞击死亡，目前国外相关机构开发了一种“风力茎秆”的风力发电方式。该发电方式由大量碳纤维制成的茎秆密集树立在面积较小的空地构成。每根茎秆高60m，带有一个直径为11～22m的混凝土底基，风力茎秆顶端直径约为5cm，根部直径为0.33m。每根茎秆都包含着电极和压电材料制成的陶瓷盘的交替层，当受到压力时会产生电流。对于风力茎杆而言，当竖直茎杆受到风力的摇摆作用后，就会源源不断产生电流。图1-4为风力茎杆发电场的效果图。

1.1.3　风力机的应用及发展

风力机即为将风能转换为旋转机械功的动力机械，又称风车。广泛地说，它是一种以太阳为热源，以大气为介质的热能利用发动机。多个世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代了人力、畜力，对生产力的发展发挥了重要作用。

风力机最早出现在波斯，起初是垂直轴翼板式风车，后来又出现了水平轴风力机。随着工业技术的发展，风力机的结构和性能都有了极大的提高，已经采用手控和机械式自控机构改变叶片的桨距角来调节风轮转速。表1-2统计了风力机的发展及用途。

风力发电技术是一项多学科、可持续发展、绿色环保的综合技术，因为它不需要燃料、也不会产生辐射或空气污染，所以已在世界上形成了热潮，发展速度很快。各地的风力机生产厂家数量也迅速增加，新技术的革新促进了风力机叶片的发展。

从2007年以来，全球风电产业一度成为世界上增长速度最快的产业，在相当长一段时间内保持着近30%的高增长率。尽管2008年金融危机以及之后的经济危机所带来的滞后反应减缓了风电发展步伐，但根据全球风能理事会（Global Wind Energy Council，简写为GWEC）统计数据显示，2012年全球新增风电装机容量达到44537MW，这一新的增长量使全球风电装机容量达到282587MW。图1-5为全球风电累计和新增装机容量变化趋势图。

为了有效节约风电场土地，降低并网成本和单位功率的造价，从风力机建造伊始，机组单机容量就不断扩大。叶片的长度从早期的7.5m左右发展到当前主流风力机叶片的50m以上。此外，随着海上风资源的逐步开发，风电场需要单机容量更大的机组。与此同时，风电场维护成本和发电成本都有所降低。图1-6为自1985年以来，风力机单机机组尺寸发展历程图。

海上风电相对于陆地具有多方面优势：海面粗糙度小，离岸10km的海上风速通常比沿岸上高约25%；海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向；机组承受的疲劳载荷较低，使得风力机发电机组寿命更长；风切变小，因而塔架可设计得较短；在海上开发利用风能，噪声、景观、生态和电磁波干扰问题较少；海上风电场不占陆上土地资源，对于靠近海洋的国家或地区较适合发展海上风电。因此海上风力开发是风电产业发展的趋势。

世界上对海上风电的研究与开发始于20世纪90年代，经过10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，在全球范围内已有诸多生产海上风力发电设备的厂家，表1-3列举了部分型号的大型海上风力机叶片及其相关技术参数。