第1章　概述

1.1　風能的利用

人類利用風能的歷史可以追溯到公元前。我國是世界上最早利用風能的國家之一。公元前數世紀我國人民就利用風力提水、灌溉、磨面、舂米，用風帆推動船舶前進。宋代更是我國應用風車的全盛時代，當時流行的垂直軸風車，一直沿用至今。在國外，公元前2世紀，古波斯人就利用垂直軸風車碾米。11世紀風車在中東已獲得廣泛的應用。13世紀風車傳至歐洲，14世紀已成為歐洲不可缺少的原動機。在荷蘭，風車先用于萊茵河三角洲湖地和低濕地的汲水，后又用于榨油和鋸木。直到蒸汽機的出現，歐洲風車數目才急劇下降。

數千年來，風能技術發展緩慢，也沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來，在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下，風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發展。風能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發展潛力，特別是對沿海島嶼、交通不便的邊遠山區、地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網和近期內電網還難以達到的農村邊疆，作為解決生產和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。即使在發達國家，風能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。美國早在1974年就開始實行聯邦風能計劃，并于20世紀80年代成功開發了100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW等6種風力機組。目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家。

瑞典、荷蘭、英國、丹麥、德國、日本、西班牙等國家也根據各自的情況制定了相應的風力發電計劃。如丹麥在1978年即建成了日德蘭風力發電站，裝機容量2000kW，三片風葉的掃掠直徑為54m，混凝土塔高58m。德國早在1980年，在易北河口建成了一座風力電站，裝機容量為3000kW。英國的英倫三島瀕臨海洋，風能十分豐富，政府對風能開發也十分重視，到1990年風力發電已占英國總發電量的2％。在日本，1991年10月輕津海峽青森縣的日本最大的風力發電站投入運行，5臺風力發電機可為700戶家庭提供電力。

風能的利用主要是以風能作動力和風力發電兩種形式，其中又以風力發電為主。以風能作動力，就是利用風來直接帶動各種機械裝置，如風力泵水、風帆助航等。

1.1.1　風帆助航

最早的利用方式是“風帆行舟”，利用風力使船只在海面上航行。哥倫布、麥哲倫以及中國的鄭和等的遠洋航行使用的船只都是帆船，古老的風帆助航業得到了發展。在現代，隨著電子計算機和自動化技術的發展，用計算機自動控制風帆的操縱及風帆與動力裝置的優化配合已經成為現實，為風帆船的發展提供了有力的支持。20世紀80年代，日本建造的“新愛德丸”風帆油船是世界上第一艘實現非人工操帆的風帆船，該船投入營運以來，取得了節省燃料費50％的目標。我國近年來所研制的風帆船，也已取得了初步的成果。

1.1.2　風車提水

利用風車提水可以治理山丘區坡耕地和解決人畜飲水問題，既經濟、又環保。我國現有耕地18億畝，灌溉面積僅為耕地面積的一半左右，因為干旱缺水等原因，60％的耕地屬中低產田。中低產田的現狀都是靠天吃飯，風調雨順則好，一遇到連旱則大幅欠收或絕收。利用當地豐富的風力資源，用風力提水設備將井里或低洼地的水提升到田里，既不用油又不用電，政府一次性投資，百姓終身收益，可謂一舉兩得。

1.1.3　風力發電

近百年來，荷蘭、西班牙和希臘等國的鄉村居民都會利用風車來發電。但是利用風車做風力發電既不穩定也不可靠，所以，當其他有效動力資源一出現，風車的地位隨即被取代了。

近年來，由于傳統燃料價格上漲，導致工程師們嘗試發展其他更好的方法利用風力。風力雖不很穩定，但是比其他動力資源要來得便利，因為風向自由、清潔、不會產生有毒的廢物，不會產生不良的副作用等。而且風可以推陳出新、供應不斷，這是由于太陽照射局部的地球表面，使大氣壓力因地球表面的溫差而異，已知空氣因壓力差而流動；所以只要有太陽的照射，風就會不斷地吹。

現代風力機使得持續穩定地利用風能成為可能。

在電力不足的地區，為節省柴油機發電的燃料，可以采用風力發電與柴油機發電互補，組成風-柴互補發電系統。

風力發電場（簡稱風電場），是將多臺大型并網式的風力發電機安裝在風能資源好的場地，按照地形和主風向排成陣列，組成機群向電網供電。風力發電機就像種莊稼一樣排列在地面上，故形象地稱為“風力田”。風力發電場于20世紀80年代初在美國的加利福尼亞州興起，目前世界上最大的風電場是洛杉磯附近的特哈查比風電場，裝機容量超過50×104kW，年發電量為14億千瓦時，約占世界風力發電總量的23％。