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一、柱风车
最早的水平轴风车为柱风车，其特点是整个风车都 固定在一个柱轴上，并围绕其旋转。
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• 柱风车由风轮齿轮、麻袋停运、风轮轴、刹车、磨齿 轮、磨轴、漏斗、磨盘、石板、谷物粉板、磨房梁、 磨刹车、谷物粉出口、粮食仓地板、冠状轴、刹车链 、方形柱、主轴、支架和基础设备组成。 • 粮食从漏斗进入磨内，研磨后从出口流出。风轮旋转 产生的力矩驱动垂直轴，从而带动磨盘旋转，对粮食 进行研磨。整个磨房外有一个木制尾巴，作用是利用 人工来调节风轮叶片的对风位臵。因此，柱风车的另 一个特点是，整个磨房都围绕柱轴旋转，且仅用来进 行磨制谷物。风车停运时，其原理类似热气球，依靠 装满砂子的麻袋载重，通过绳索来制动转轴，通过齿 轮的力矩传递来制动风轮；当需要运行时，卸掉麻袋 则可继续运转。 • 缺点：整个磨房都围绕主轴旋转。
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二、荷兰风车
• 荷兰被誉为“风车之国” 。荷兰坐落在地球的盛行西 风带，濒临大西洋，是典型的海洋性气候的国家，海 陆风长年不息。这就给缺乏水力和动力资源的荷兰利 用风力，提供了优越条件。 • 荷兰风车：磨粉（最初） 对经济具有重要意义（16～17世纪）。各路水道 运往荷兰利用风车加工木材、大麻子和亚麻子、肉桂 和胡椒，造纸。围海造陆工程。 根据当地的湿润多雨、风向多变的气候特点，荷 兰对风车进行了改革，使荷兰风车比柱风车的功能更 强大，能够满足当时各种动力需求，如磨粉、泵水和 锯木等，并给风车配上活动的顶篷，为了能四面迎风 ，又把风车的顶篷安装在滚轮上。这种风车，被称为 荷兰式风车。
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§1-3 利用风力机发电的历史过程
一、丹麦工程师Poul La Cour
• Poul教授是第一个基于科学理论对 传统风车进行完善的研究者，利用 风能生产电力先驱，也标志着历史 风车向现代风力机转变。 • Poul风力机采用水平轴布臵，有4 个百叶窗式的叶片，通过一个长轴 和齿轮箱来带动臵于地面的发电机 ，产生直流电流，电流通过蓄电池 供离网用户使用。此风力机已经初 具现代风力机的规模。Poul还采用 电解制氢来存储风能，然后利用氢 气灯来为校园照明。
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二、中国风电的发展现状
我国风电场行业的发展经历3个阶段。 第一阶段为1986～1990年，是我国并网风电项目的探索和 示范阶段。项目规模小，单机容量小。共建立了4个风电场，安 装风电机组32台，最大单机容量为200kW，总装机容量 4.215MW，平均年新增装机容量仅为0.843MW。 第二阶段为1991～1995年，为示范项目取得成效并逐步推 广阶段。共建立5个风电场，安装风电机组131台，装机容量为 33. 285MW，最大单机容量为500kW，平均年新增装机容量为 6. 097MW。 第三阶段为1996年后的扩大建设规模阶段。特点是项目规模 和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量为61. 8MW，最大单机容量达1300kW。2005年《中华人民共和国可 再生能源法案》颁布后，中国风能事业进入到一个新的时期。
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2005年开始，我国每年风电总装机容量比去年同期翻一番。 2008年，中国新增风电装机容量6246MW，累计总装机容量达到 12153MW，超过印度，成为继美国、德国和西班牙之后发展风力 发电第四大国。 2010年中国风电新增装机容量达到18928兆瓦， 累计装机容量达到44733兆瓦，都位居全球第一位。
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• 2004年《Wind Force 12》发表的2005～2020年世界风电和电 力需求增长的预测报告，2005～2007年期间的平均年装机容 量增长率为25%，2008～2012年期间平均装机容量降为20% ，到2015年平均装机容量降为15%，2017～2020年期间平均 装机容量降为10%。2010年风电装机容量为1.98亿kW；2020 年风电装机为12. 45亿kW，风电电量为3. 05×104亿kW· h， 占世界总消耗电量25. 58×104亿kW· h的11. 9%。 • 世界风电的飞速发展，与各国积极地采取各种激励政策是分 不开的。鼓励风能开发利用的政策有多种，如长期保护性电 价、配额制、可再生能源效益基金和招投标等政策。保护性 电价政策是一种有效刺激风电发展的措施，欧洲14个国家采 用了这一政策。20世纪90年代以来，德国、丹麦、西班牙等 国风电迅速增长，主要归功于保护性电价政策措施的实施。
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三、德国大型风力机
• 一战后，德国人Kurt Bilau认识到美国低速风车并不具 有最佳的风力机性能，他首次尝试制造具有更高叶尖速 比的4叶片风力机。 • 在德国真正引起风力机发展浪潮的是来自理论阵营。在 航空机翼空气动力学的背景下，物理学家Albert Betz 对风力机的物理和气动性能进行了严格的计算，并得出 风力机最大风能转化率为59.3%。关于风力机叶片的气 动性能理论，直到现在都依然被证明是正确的。此外， 其空气动力学理论和叶片的轻型设计在20世纪也迅速发 展，为目前大型风力机的发展奠定了基础。
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• 目前主要用于旅游观光， 除传统的木结构风车外， 又出现了不少现代的金属 结构风车，造型简单，线 条明快。 • 但是，政府的决定引起了 鸟类保护组织的不满。候 鸟在飞行中很容易被风车 产生的气流吸进去。荷兰 的风车每年都要伤害数千 只小鸟的生命。该组织认 为应该适当减少新建风车 的数量。
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• 管状柱风车：仅顶部可旋转。 • 结构特点：底座成金字塔形且固 定不旋转，其顶部固定的风轮可 以根据风向调节旋转。风车内结 构简单，取消了复杂的磨结构， 只有风轮齿轮、传动齿轮和风车 轴承等。 • 用途：泵水、磨制谷物及锯木。
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塔风车：与柱风车结构相似，主要在地中海区域广 泛使用。风车的支撑成塔状结构，由石料砌成。塔 顶用于固定风车，并可旋转。
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三、美国风车
19世纪早期，美国风 车拥有10～30片叶片和一 个尾翼。旋转速度较慢， 产生较大的力矩，通过一 个带有长长的与地面垂直 的传动轴，将力矩传到风 车底部的水泵。结构复杂 ，在恶劣天气时，无法调 整风轮风速，经常遭到破 坏。
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风力发电原理
张 磊
热能工程教研室
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主要内容 主要内容
• • • • • • • 绪论 风与风能 风力机分类和构成 风轮的基本理论 水平轴风轮的气动特性 风力机载荷分析 风力机运行与维护
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第一章
• • • • • • •
绪论
风电的发展现状 风车起源 利用风力机发电的历史过程 20世纪50年代的风力机 能源危机时期的风力机 20世纪80年代的大型风力机 风力发电机组的发展趋势
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• Smidth风轮设计了输出功率更大的 3叶片的风力机。 • 主要规格：上风式风轮，3个固定 的扭曲叶片；翼型为NACA4312；叶 片有效长度为9m，转速为30r/min ；额定功率在10m/s，额定风速时 为70kW；旋转直径为24m；安装角 在接近轮毂处为16°，叶尖处为 3°；起始风速为5m/s，停机风速 为20m/s；设计叶尖速比为5，异步 发电机为200kW，8极；水泥塔身 24m，塔架采用混凝土塔式结构； 配用直流发电机。为了减小轮毂的 弯曲应力，叶片用支撑架连接。采 用了传统风车技术的木架钢梁叶片 结构，木架上覆盖铝合金蒙皮。 • 异步发电机使转速保持几乎恒定。
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在20世纪末，世界范围内的风电装机总容量每隔3年翻一番， 发电成本降低到80年代早期的1/6左右。21世纪后，全球风电依然 一直保持着快速增长的势头。2008年全球当年风电累计装机容量为 120791MW，是2000年17400MW的7倍。世界风电成本也迅速下降，从 1983年的15.3美分／(kW·)，下降到1999年的4.9美分／(kW·)。 h h
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• 作用：主要是将风力转化为桨轮转动得来的动力。从 物理上讲，就是将风能转化为动能。 • 最大的荷兰风车有几层楼高，翼板长达20m。有的风车 由整块大柞木做成。18世纪末，荷兰全国的风车约有 12000台，每台有6000马力(1马力=746W)。这些风车用 来碾谷物、粗盐、烟叶、榨油，压滚毛呢、毛毡、造 纸以及排除沼泽地的积水。 • 20世纪以来，由于蒸汽机、内燃机、涡轮机的发展， 依靠风力的风车则变得暗淡无光。但因风车利用的自 然风力，无污染、用之不竭，所以不仅被荷兰人民一 直沿用至今，而且也成为今日新能源的一种。直到现 在，荷兰大约有2000多台各式各样的风车。
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二、Smidth风轮
• 第一台Smidth风轮的设计额定功率为50kW，风轮旋转直径为17.5m ，设计风速为11m/s，采用两片木质结构的叶片，叶尖速比为9，叶 片无扭转不可变桨，采用空气动力制动装臵控制速度，有的风力机 塔柱采用桁架结构，大部分采用混凝土塔式结构。
尾翼可活动的风车 在大风时尾翼向展向 平行于风车旋转面旋转， 从而在尾翼的作用下，将 风车移出风向，风车停止 旋转。当风速较小时，尾 翼再向展向垂直于风车旋 转面的方向偏转，风车正 对来风。
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• 美国风车的最大直径通常为5～8m，甚至制造超过15m 直径的风车。 • 特别适用于低风速状况，在2～3m/s的风速下开始转动 ，气动力矩相对较高。 • 到1930年，大约有100多家，2300个工人从事生产美国 风车，生产了将近600万台美国风车，并销往世界各地 ，利润较高。但因欧洲风车的盛行，始终未在欧洲立 足。