人类利用风能的历史

篇一：人类开发利用风能的历史

人类开发利用风能的历史

太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，从而使空气沿水平方向运动，空气流动所形成的动能称为风能。因此风能是太阳能的一种转化形式，是一种可再生的自然能源。风能储量非常巨大，理论上仅１％的风能就能满足人类能源需要。风能利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其它形式的能，其具体用途包括：风力发电、风帆助航、风车提水等。其中，风力发电是风能利用的最重要形式。

风能利用，已有数千年的历史，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。最旱的利用方式是“风帆行舟”。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年前，他们的风帆船就在尼罗河上航行。 我国是最旱使用帆船和风车的国家之一，至少在３０００年前的商代就出现了帆船。唐代有“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”的诗句，可见那时风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是中国的明代，１４世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。明代以后，风车得到了广泛的使用，宋应星的《天工开物》一书中记载有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”，这是对风车的一个比较完善的描述。我国风帆船的制造已领先于世界。方以智著的《物理小识》记载有：“用风帆六幅，车水灌田，淮阳海皆为之”，描述了当时人们已经懂得利用风帆驱动水车灌田的技术。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２０世纪５０年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备曾达２０万台。

１２世纪，风车从中东传入欧洲。１６世纪，荷兰人利用风车排水、与海争地，在低洼的海滩地上建国立业，逐渐发展成为一个经济发达的国家。今天，荷兰人将风车视为国宝，北欧国家保留的大量荷兰式的大风车，已成为人类文明史的见证。

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、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。

到了１９世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机。１８９１年，丹麦建成了世界第一座风力发电站。风力发电在解决发展中国家无电农牧区居民的用电方面起到了重要的作用，特别是２０世纪７０年代以后利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段，在世界不同地区建立了许多大中型的风电场。预计到２１世纪中叶，风能将会成为世界能源供应的支柱之一，成为人类社会可持续发展的主要动力源。

利用风能的好处：

1.风能也是绝对可延续的，因为它不采取可以被消费的燃料或其他资源。

2.风力场不导致极其噪声，并且他们未显示在农场、其他家畜或者旅游业关心的任何影响。

3.不仅是风力可再造能源，但是象其他可再用的能源它不释放有害的温室气体，当被管理-没有甲烷，没有二氧化碳时。

风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。

篇二：人类对能源利用的历史0

人类对能源利用的历史，也就是人类认识和征服自然的历史。随着社会生产力和科学技术的发展，人类利用能源的历史大体经历了五个阶段：1.火的发现与利用。2.畜力、风力、水力等自然动力的利用。3.化石燃料的开发和热的利用。4.电力的发现及开发利用。5.原子核能的发现及开发利用。

在能源的利用史上，就其划时代性革命转折而言，主要有三大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源。第二次是石油取代煤炭而居主导地位。第三次是目前正在出现的向多能结构的过渡，这一转换现在还没有完成。

人类利用能源的历史大致经历了柴草、煤炭、石油三个能源时期。火的使用，使人类第一次支配了一种自然力，从而使人类和动物界彻底分开。但是，当时人类还没有掌握把热能变成机械能的技巧，因此，柴草并不能产生动力。从茹毛饮血的原始社会到漫长的奴隶社会、封建社会，人力和畜力是生产的主要动力。风力和水力的利用，使人类找到了可以代替人力和畜力的新能源。随着生产的发展，社会需要的热能和动力越来越多。而柴草、风力、水力所提供的能量受到许多条件的限制而不能大规模使用。煤的发现，提供了大量热能；风车和水车的制作，积累了机械制造的丰富经验；于是，两者结合起来，蒸汽机出现了。蒸汽机的使用，不但奠定了各国工业化的基础，也开辟了人类利用矿物燃料作动力的新时代。

但是，蒸汽机十分笨重，效率又低，无法在轻便的运输工具如汽车、飞机上使用。人类在生产实践中又发明了新的热机——内燃机。内燃机的使用，引起了能源结构的一次又一次变化，石油登上了历史舞台。世界各国依赖石油创造了经济发展的奇迹。

那么地球上的能源有哪些可用，它们又来自何方呢？地球上的能源按其来源可分为三类。第一类是地球和其他天体相互作用而形成的，如潮汐能；第二类来自地球的内部，如地热能和原子核能；第三类来自地球以外，主要是太阳能以及由它产生的能源，如煤、石油、天然气、生物质能、水能、风能、海洋热能等等。

然而，随着人类文明的不断发展，社会对能量的需求不可遏止地猛增。地球上的能源消耗正在以惊人的速度增长，20 世纪消耗的全部能源几乎等于前19 个世纪所消耗的能源的一半。人类正在过分地开采和使用化石燃料和森林等自然资源，从而使得地球上的自然燃料能源的储藏量正在急剧减少。而且，由于大量利用石油、天然气和煤炭等化石燃料，已经使人类居住的环境受到越来越严重的污染，造成酸雨和气候变暖。许多科学家都认为，全球气温升高将给人类带来灾难性的后果。因此，合理开发和利用能源已成为地球人类大家庭最重要的问题了。人类必须认真对可资利用的各种能源进行“算计”和“筹划”，既要满足目前需要，又要考虑长远的影响和发展，为子孙后代的丰衣足食着想，使地球人类大家庭的明天过得更舒适、更美好。所以，人们一方面研究如何进一步合理、妥善、高效率地开发利用化石燃料和水力等常规能源（也叫传统能源），比如研究提高能源转换效率的方法，改善能源开采和利用的方式等等，着重从节流方面想办法和采取措施；另一方面，人们又上天、入地、下海，四处寻找开源途径，探索低廉而丰富、又不影响生态环境的很清洁的新能源，比如开发太阳能、

地热能、核聚变能和海洋能等等。这样，一门边缘化的、综合性的科学技术——能源技术就迅速形成，并蓬勃发展起来。

篇三：风能的利用 作业

风能的利用

美术学院2011211409 李甦

摘要：风能是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。进入20世纪70年代，在世界范围内爆发的能源危机告诫人们，要生存就要寻找开发新能源，此后各国政府纷纷制定能源政策支持新能源的开发利用。现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点。现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点。国家对可再生能源的利用,特别是风能开发利用给予了高度重视。

关键字：风能 发电机 电能

人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物...... 风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主。

风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等。现在，人们感兴趣的，首先是如何利用风来发电。球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带。在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。

风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主，以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置，如带动水泵提水等这种风力发动机的优点是：投资少、工效高、经济耐用。目前，世界上约有一白多万台风力提水机在运转。澳大利亚的许多牧场，都设有这种风力提水机。 利用风力发电，以丹麦应用最早，而且使用较普遍。丹麦虽只有500多万人口，却是世界风能发电大国和发电风轮生产大国，世界10大风轮生产厂家有5家在丹麦，世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术，是名副其实的“风车大国”。 我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。而2003年底全国电力装机约5.67亿kW。 风是一种潜力很大的新能源。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。其原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电，我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这包括尾舵)（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同） 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方

向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。 一般说来，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。

大型风力发电机组的投入运行，使大规模风力发电场的建设成为可能，风电事业正逐步向产业化迈进。在某些地方，风力发电已经在电网中占有了相当的比重，它的运行状况直接关系到整个电网的安全性和可靠性。为了更加安全、充分的利用风力资源，迫切需要深入研究大规模风电场并网运行的相关技术问题，是保证并入大规模风电场后电力系统仍然可以正常稳定运行的重要前提。

在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。我国风能资源丰富。据中国气象科学研究院的初步测算,我国陆地10m高度处可开发储量为2.53亿kW,海上可开发储量为7.5亿kW,总计约10亿kW,风能利用潜力巨大。2005年以来我国每年的风电新增装机容量连年翻番，2005年装机容量126万KW，2006年装机容量260万KW，2007年装机容量590万KW，至2008年底风电装机容量已超过1000万KW。国家规划,到2020年中国风电装机规模将达3000万kW。在国家政策和资源优势的推动下,中国风能开发利用取得了长足进步。

在各种可再生能源中，风能因资源丰富、成本相对较低而最具商业化、产业化前景。政策的驱动，以及利益的诱惑，吸引着嗅觉敏锐的企业纷纷投资风电。据不完全统计，包括五大发电集团在内的全国30多家企业已争相涉足这一领域，总投资超过100亿元。 研究表明，风力发电能力每增加一倍，成本就会下降15%。由于近年世界风电增长一直保持在30%以上，风电成本快速下降，国外已日趋接近燃煤发电成本。此外，风电外部成本几乎为零，甚至低于核电成本，因此经济效益凸现。随着中国风电设备国产化和发电的规模化，风电可望比燃煤发电更具成本和价格优势。在风电场急速增长的带动下，风电设备制造正呈现出巨大的市场空间。按照中国远期规划（2020年风电装机2000万千瓦）和每千瓦8000－10000元的造价，每年风电设备市场容量约为97亿－122亿元。即使考虑国产化程度提高而导致的价格下降，平均每年的市场容量也应保持在70亿元以上。在可预期的巨大市场空间面前，中国风电设备制造企业将迎来难得的发展机遇。

主要参考文献 [1]刘亮,唐任远,孙雨萍．兆瓦级直驱式永磁风力发电机关键技术研究．山东大学硕士学位论文．2008.5

[2]任景．变速恒频风力发电机组动态模型及并网研究．电网与水力发电

进展．2008.1

[3]张伟，韩肖清．异步风力发电系统并网仿真分析．太原理工大学硕士

学位论文．2006.5

[4]耿华,杨耕,马小亮．并网型风力发电机组的控制技术综述．电力电子

技术．2006.1

篇四：人类使用能源的历程与启示

人类使用能源的历程与启示

摘要 火的使用使人类脱离了野蛮，步入了文明。在几十万年的演变过程中，薪柴和木炭一直是人类用来做饭取暖的主要能源。从18世纪初开始，煤炭在西方国家逐渐代替木柴。托马斯·纽科门在1712年发明的燃煤蒸汽机开始了以蒸汽动力来代替古老的人工体力、风力和水力的新时代，为人类的工业文明掀开了序幕。1781年瓦特发明的改良蒸汽机更使得煤炭得以大规模地使用，使得第一次工业革命得以大规模展开。然而，随着1859年埃德温·德雷克在宾夕法尼亚州打出第一口油井以后，石油的大规模生产和使用不仅使得工业革命得以更大规模地在全球推广，新的技术、新的发明创造也接踵而来：内燃机、汽车、飞机……石油和这些发明一道，改变了世界的生产模式、交通模式。现代生活种中，以太阳能为主导的新型清洁能源取代了石油，煤炭等传统的能源。

关键字 柴草 煤炭 石油 清洁能源。

“能源”。《科学技术百科全书》说：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源”；《大英百科全书》说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量

的物质资源。

能源作为人类社会生产与生活中不可缺少的动力，其开发利用亦不是亘古至今一成不变的，随着社会生产力的不断发展，人类对能源的利用深度和广度在不断发展和扩大。

在人类发展史上，从原始时代到当今瞬息万变的高科技原子时代，人类已经历了四个利用能源的阶段：柴草时期、煤炭时期、石油时期和多元化新能源时期。

一 柴草时期

人类发展史上狩猎时代是漫长的，大约距今二、三十万年。这一时期人类一采集大自然野生植物、猎取野兽、捕捉水族为食。人类居住在天然洞穴，用骨针缝制兽皮御寒，一有空小珠、贝壳、兽牙伪装饰品。人类已经掌握了人工取火的技术，火资源的使用增加了人的食物来源，扩大了人类活动的范围。促进不同部落的交流，人类社会的发展。特别是在增强原始人类体质。使食物变的跟容易消化，大大减少了肠道疾病的发生。以及火的出现为制造铁器、陶器等生产和生活用品方面起了重大作用。

在从原始社会直到18世纪的漫长的历史年代，草木作为取火燃料一直是最主要的能源。虽然当时已有畜力、风力、水力等“新能源”的发现和利用，但还是小规模的。人们把这个漫长的能源发展的历史阶段称为柴草时期或木柴时期。这个阶段人类可利用的能源种类贫乏，所用能源的方法也是原始落后的，生产力发展水平亦很低。

二 煤炭时期

随着生产的发展、人口的增长，人们需要的木材越来越多，木材资源日益紧张，特别是许多缺乏森林资源的地区，为此，人们开始努力去发现和寻找新的能源。经过漫长的找寻，终于人们发现了一种能燃烧的矿石、煤，并开始把它用做能源。

1765 年，英国人瓦特发明了蒸汽机，煤炭才逐渐成为人类生产生活的主要能源，并由此拉开了一轮浩浩荡荡的工业革命。

第一次工业革命，始于英国的机械创新，而蒸汽机的改良和广泛使用，则将工业革命推向了一个高峰，也带动了煤炭开采和利用的爆发式增长。 16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到相当规模，单靠人力、畜力难以满足排除矿井地下水的要求，而现场又有丰富而廉价的煤燃料。现实的需要促使许多人，如英国的萨弗里、纽科门等，致力于“以火力提水”的探索和试验。萨弗里制成世界上第一台实用的蒸汽提水机，在1698年取得名为“矿工之友”的英国专利。萨弗里的提水机靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井汲水，须将提水机装在矿井深处，用较高的蒸汽压力才能将水压到地面，这无疑是困难而又危险的。纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。这种蒸汽机先在英国，后来在欧洲大陆得到迅速推广，它的改型产品直到19世纪初还在制造。纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。

新大陆的发现和地理大扩张，让英国拥有了巨大的商品市场。毛纺织业贡献了当时英国对外贸易的主要产品，当传统的手工操作无法满足巨大的市场需求时，英国人发明了飞梭，继而又发明了水力纺纱机、水力织布机，这些机械的应用大大提高了纺织业的效率。利用水力作为能源有很大局限性，它必须建在河流附近，且河流水量不固定，这显然不适合机械大生产的需要。于是，以煤为燃料的蒸汽机改良运动应运而生。公元1765年，瓦特发明了带冷凝器的单向式蒸汽机，1782年又发明双向式蒸汽机。1785年，蒸汽机开始用于毛纺业，1789年应用于毛织业。得益于蒸汽机的使用，从1766年到1789年，英国的纺织品产量在20多年内增长了5倍。

1807年美国人富尔敦建造了世界上第一艘蒸汽动力的轮船。不久，英国人史蒂文森发明了蒸汽火车机车，1825年，英国建成世界上第一辆蒸汽机车和铁路。到十八世纪末，蒸汽机普遍代替其它动力，成为英国许多工业部门的主要动力来源。

蒸汽机应用到纺织业，提高了纺织业的效率和产量；蒸汽机应用到运输业，载重上千吨的火车开始在大陆上穿越，载重上万吨的轮船开始在大洋中横渡；蒸汽机应用到矿山开采业，降低了人类的劳动强度，并且可以昼夜不停、连续开采；蒸汽机应用到金属冶炼上，大型鼓风机开始使用，煤炭成为冶炼的主要燃料；蒸汽机应用到机械制造上，可以制造出更复杂、更精密的工具。伴随着蒸汽机在工业生产领域的广泛使用，近代的能源工业煤炭工业开始在世界范围内广泛建立起来。1861年，英国的煤炭年产量已经超过五千万吨。煤炭的广泛利

用，被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，成为十八世纪以来人类使用的主要能源之一。

1861年，煤炭在世界一次能源消费结构中只占24%，1920年则上升为62%，此后，世界能源进入了“煤炭时代”。 20世纪30年代以后，随着发电机、汽轮机制造技术的完善，输变电技术的改进，特别是电力系统的出现以及社会电气化对电能的需求，火力发电进入大发展的时期。煤炭在世界能源中的主导地位一直保持到20世纪60年代。

三石油时期 成随着科技、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例开始不断增加，并于20世纪60年代超过煤炭。为世界经济和各国工业发展需求最大的能源。如果说钢铁是近代工业经济的筋骨的话，那么石油就是近代工业经济的血液。很难想象缺乏石油，世界经济和科技的发展能够有什么样的发展。自从工业革命以来，机械的快速发展和大规模应用所带来的不仅是科技对于人类社会发展的冲击，更重要的是，随着生产效率的不断提高，直接带来的是农业经济开始向工业经济的重大转变，这一转变无论是从社会结构、政治体制还是在国防外交方面都对人类的国家系统和世界系统产生了翻天覆地的彻底性的颠覆，从而形成了延续至今的工业文明社会。而其中，支持和制约这种发展的重要因素之一，就是能源。在农业经济时期，能源的主要来源是人力和畜力，也涉及到一部分的水力和风力，但这部分不是最主要的。而随着工业经济的兴起，人力和畜力很明显无法满足机械，这一工业文明的最重要的标志和工具，对于动力来源的需求，于是开始求助于自

篇五：人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关

人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物......

风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面??。现在，人们感兴趣的，首先是如何利用风来发电。球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。据估算，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300瓦／米2（W／m2）以上，3~20米／秒风速年累计超过6000小时 。内陆风能资源最好的区域 ，沿内蒙古至 新疆一带，风能密度也在200~300W／m2，3 ~20米／秒风速年累计5000~6000小时。这些地区适于发展风力发电和风力提水。新疆达坂城风力发电站1992年已装机5500千瓦，是中国最大的风力电站

在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。

风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主，

以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置，如带动水泵提水等这种风力发动机的优点是：投资少、工效高、经济耐用。目前，世界上约有一白多万台风力提水机在运转。澳大利亚的许多牧场，都设有这种风力提水机。在很多风力资源丰富的国家，科学家们还利用风力发动机铡草、磨面和加工饲料等。

利用风力发电，以丹麦应用最早，而且使用较普遍。丹麦虽只有500多万人口，却是世界风能发电大国和发电风轮生产大国，世界10大风轮生产厂家有5家在丹麦，世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术，是名副其实的“风车大国”。

我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。而2003年底全国电力装机约5.67亿kW。

风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。

风是一种潜力很大的新能源，人们也许还记得，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750

万千瓦；一马力等于0．75千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电，我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）

风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）

由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。

铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。

发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。

多大的风力才可以发电呢?

一般说来，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。

在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。

我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。

人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经

济的发展产生一次飞跃。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。 人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。

风力发电的原理

把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。

风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。

风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。

限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。

塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。

前言

自然界的风是可以利用的资源，然而，我们现在还没有很好的对它进行开发。这就向我们提出了一个课题：我们如何开发利用风能？

自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。 因此，为了满足在变速控制过程中良好的动态特性，并使发电机向电网提供高品质的电能，发电机和电网之间的电力电子接口应实现以下功能：一，在发电机和电网上产生尽可能低的协波电波；二，具有单位功率因素或可控的功率因素；三，使发电机输出电压适应电网电压的变化；四，向电网输出稳定的功率；五，发电机磁转距可控[8]。

此外，当电网中并入的风力电量达到一定程度，会引起电压不稳定。特别是电网发生短时故障时，电压突降，风力发电机组就无法向电网输送能量，最终由于保护动作而从电网解列。在风能占较大比例的电网中，风力发电机组的突然解列，会导致电网的不稳定。因此，用合理的方法使风力发电机组电功率平稳具有非常重要的意义。

本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。

1 概述

1.1 风力发电机的发展史简介

我国是最早使用风帆船和风车的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船，到唐代风帆船已广泛用于江河航运。最辉煌的风帆时代是明代，14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋，庞大的风帆船队功不可没。明代以后风车得到了广泛的应用，我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法，一直延续到20世纪50年代，仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达20万台[7]。

随着蒸汽机的出现，以及煤、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、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发展了水平轴风车。18世纪荷兰曾用近万座风车排水，在低洼的海滩上造出良田，成为著名的风车之国。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。到了19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，特别是20世纪70年代以后，利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段[3]。

1.2 我国现阶段风电技术发展状况

中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。经过初期发展、单机分散研制、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益

[1]。

我国对风电已有部分优惠政策，包括一下几个方面。

1)风电配额 制定出常规火电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。

2)风电上网电价 落实风电高于火电的价差摊到全省的平均销售电价中。制定出按常规水电污染排放量分配比例，由全国所有省区共同分摊的政策。按地区具体情况定出风电最高上网电价的限制，并保持10年不变，促使业主充分利用资源，降低成本。

3)售电增值税 发电增加了新的税源，建议参照小水电，核定风电销售环节增值税率为6%。

4)银行贷款 为降低风电电价，减轻还贷压力，建议适当延长风电还贷期限，还贷期增至15年；为风电项目提供贴息贷款。

5)鼓励采用国产化风电机 为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款，补偿开发商的风险，帮助初期国产化机组进入市场，得到批量生产和改进产品的机会，以利降低成本。 表1-1 中国风电场装机容量发展情况（单位：万KW）

Table 1-1 China's installed capacity of wind power development (unit : 10，000 KW)

装机容量 1999 2000 2001 2002 2003 2004

当年新增 4.47 7.65 5.72 6.69 9.98 19.8

累计容量 26.83 34.48 40.20 46.62 56.6 76.4

1.3 风力的等级选择

风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小，国际上采用的是英国人蒲福（Francis Beaufort，1774~1859）于1805年所拟定的等级，故又称蒲福风级，他把静风到飓风分为13级[7]。见表2-2。

表1-2 蒲福风力等级表

Table 1 -2 Bofu wind scale

风

力

等

级 名称 相当于平地10m

高处的风速（m/s） 陆上地物征象

中文 英文 范围 中数

0 静风 Calm 0.0~0.2 0 静、烟直上

1 软风 Light air 0.3~1.5 1 烟能表示风向，树叶略有摇动

2 轻风 Light breeze 1.6~3.3 2 人面感觉有风，树叶有微响，旗子开始飘动，高的草开始摇动

3 微风 Gentle breeze 3.4~5.4 4 树叶及小枝摇动不息，旗子展开，高的草摇动不息 4 和风 Moderate breeze 5.5~7.9 7 能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇，高的草呈波浪起伏

5 清劲风 Fresh breeze 8.0~10.7 9 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波，高的草波浪起伏明显

6 强风 Strong breeze 10.8~13.8 12 大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难，高的草不时倾伏于地

7 疾风 Near gale 13.9~17.1 16 大树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不变 8 大风 Gale 17.2~20.7 20 可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大

9 烈风 Strong gale 20.8~24.4 23 草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断 10 狂风 Storm 24.5~28.4 26 树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏

11 暴风 Violent storm 28.5~32.6 31 大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏 12 飓风 Hurricane >32.6 >33 陆上少见，其摧毁力极大

1.4 风能利用发展中的关键技术问题

风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍[7]。对于这样的强随机性的综合系统，其技术发展中有下列几个关键技术问题

1）空气动力学问题

空气动力设计是风力机设计技术的基础，它主要涉及下列问题:一是风场湍流模型，早期风力机设计采用简化风场模型，对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义；另一是动态气动模型。再一是新系列翼型。

2）结构动力学问题

准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。

3）控制技术问题

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