万向风车(三)(1)

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1、万向风车风能是自然界中普遍存在且很有应用价值的可再生能源，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍。我国的风能资源非常丰富，新疆、内蒙、甘肃一带风能最大，强度约200~300瓦/米2，平均4000~5000小时/年（参见《中国大百科全书》—风力机）。我国西部地域辽阔，如能大力发展风力发电，不仅可为经济建设提供动力，而且还能保护环境，治理风沙，减少二氧化碳气体排放，可谓一举多

2、得！  风能,其实准确地说也是太阳能，是由太阳的热量，地球的旋转，地球表面的不规则而引起的空气流动。风能具有许多优势条件，所以它是世界上成长非常迅速的能源。人类早就把研究的目标，定为最大限度的利用风能而奋斗。  风能是清洁能源，风能不像依靠燃烧化石燃料（例如，煤炭或者天然气）的火电厂那样污染空气，风能不产生引起酸雨的物质，也不产生温室气体。  利用风能的最大挑战就是风力是断断续续的。风能不能储存（除非用蓄电池），也不能根据电力的需求进行调整。  风电站与传统电站相比较还有一些环境上的小影响，例如：由于叶片旋转而产生噪音；审

3、美方面的影响；还有鸟儿会被旋转的风轮杀死……等等，但这些问题通过技术的发展和选择合适的风场位置已经解决或大大的减少了。  几个世纪以来，风力发电一直受到人们的关注。1890年，丹麦的一项风力发电机计划，首次将风力机（也称风车、风透平机、风轮）用于发电设想，到1918年丹麦已有120台风力发电机。第一次世界大战后，应用风力来发电曾出现高潮，丹麦、荷兰应用最早也最广。后来由于中东油田的发现，使风力发电事业的发展缓慢下来，直到20世纪70年代，由于能源短缺和环境污染，风力发电才又出现高潮。要利用风力来发电，就必须先把风能转化为机

4、械能，然后再用发电机把机械能转换为电能。把风能转化为机械能，就要利用风车，风车是风力发电过程中的关键设备。鉴于风车的种类繁多，因此分类方法也是多种。按叶片数量分为：单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分为：水平轴、垂直轴(立轴)；按桨叶工作原理分为：升力型、阻力型。目前大量使用的风力发电设备以三叶片水平轴升力型居多。  21风车承担着收集风能再把它转换成机械能的重要任务。要了解风车的组成、构造和发展，先来了解一下风车的发展历史是十分必要的。一、风车发展的历史第一个风车是由自动磨面和抽水机发展来的，

5、最早有记载的设计是垂直轴系统，是在波斯大约500-900A.D发展起来的。最早的存档设计是波斯风车，这是一个由芦苇或木头捆扎的垂直的帆，它安装在中心的垂直轴上水平安装着的支柱上。19世纪美国人仿造的装置示于左边（图1）。  垂直轴风车也应用在中国，最早的真实的记载中国风车是在1219A.D，这里主要的应用显然也是磨面和抽水。  第一个风车出现在欧洲是水平轴结构。对于这种由波斯垂直轴设计而突然走进水平轴结构的进展原因已经不知道了，但是，事实上欧洲水轮也有水平轴结构。别的原因可能是水平结构的拖曳型比垂直结构的拖曳型效率高，由于

6、屏蔽的需要，垂直轴结构的拖曳型丢失了它们的转轴收集面积的一半。第一个水平轴例证（1270A.D）显示一个四叶片风车安装在中心柱上（因而称柱式风车）它在科学技术上已经相当先进于波斯风车。  欧洲风车的主要改进是它的设计者对于产生空气动力学升力的帆桨的运用。这一特点提供了转子效率的重大改进，使效率比波斯风车更高，并让转子的转速增加。完善风车帆桨，使效率增加的改进过程，已有500年。在过程完成期间，风车桨帆有了全部经过现代设计师验证的显著的特色，这对于现代风力透平机叶片的完成也是至关紧要的，包括1）拱形螺旋桨的前缘；2）在1/4

7、弦长位置（由前缘到后缘的25%）放置帆桅；3）重心在1/4弦长位置；4）叶片由根部到顶端的非线性扭曲（Drees,1977）。还有一些空气动力学刹车，阻流器，……等。  最显著影响20世纪风能发展的是应用风力机来发电。  第一个利用大风车发电，是CharlesF.Brush在1888年建立的一个系统。这个机械（显示在右边图2）是一个带有多个叶片的柱式风车，转子直径17米，用一个大的尾巴去转动风轮到迎风的方向。它是第一个为达到直流发电机所需要的速度（在此，500转/分）而采用递增的齿轮箱（速率50：1）的风车。21这个风车系

8、统尽管比较成功的使用了20年，但用17米转子直径生产12千瓦电力与生产70-100千瓦电力的相同尺寸的现代升力型风车相比，该风车证明了高密度转子在应用上的低速度的局限性。  在1891年，丹麦人PoulLaCour结合空气动力学设计原理和原始的螺旋桨形状设计了四叶片风轮，应用在欧洲最好的塔式磨坊。LaC