风能的利用 [复制链接]

第7版()
专栏：

风能的利用
中国科学院动力研究室　吴文
早在纪元前两千多年，我们的祖先就已经做出帆船，利用风力在黄河上行驶。接着又创制了船帆式风轮机（即风车），利用风能车水和加工谷粮，把风能应用到农业生产上。
陆地表面流动空气的能量，超过可以利用的水能和每年开采出来的燃料能的总和
全世界可以利用的风能潜量是异常巨大的。风能是直接来自太阳的辐射能。在达到地球表面的全部太阳能中，大约有2％的能量被大气层吸收。热升冷降，使得地球表面的全部空气发生流动，这就是风能的来源。不过，人们可以利用的风能，只是接近陆地表面一两百米以内的流动空气的能量，估计约为全部风能的1％到2％。即使这样，这项能量仍是异常庞大的，估计仍在两三百亿瓩左右，远远超过了全球每年可以利用的全部水能和目前每年开采出来的各种燃料能的总和。
除去风能数量庞大之外，它还有个优点，就是风源容易寻找。只要有气象记录，就能确定适当的风轮机站，不必进行勘查钻探等等工作。只要有风，就可随时取用，不必投资开采。这比利用煤、石油等能源，又省时又方便。
利用风能的机械，叫做风轮机（或称风力机、风车）。利用风能就是利用流动空气所具有的动能。当风流过风轮机时，风速就减小，也就是风的动能减小。这部分减小的动能，就为风轮机所吸收。从理论上讲，可以为风轮机所吸收的最高能量，为全部风的动能的零点五九三，这个数值称为最高风能利用系数。实际上，风轮机的风能利用系数都小于零点五九三，
风的动能大小与风速的立方成正比，所以风速加大时，风的动能就增加得特别快。九级（风速二十米／秒左右）以上的暴风，就具有破坏的力量。风轮机一般工作在三级至七级（三至十四米／秒左右）风速范围之内，遇有暴风，就必须停止运行，不然就会遭受损坏。
我国有许多地区可以使用风轮机；在风速较高的地区还可以建立一百瓩以上的大功率风轮机风轮机可以带动水车，进行排灌；或带动转磨，加工谷粮；或带动发电机，产生电力。这类机械所需能量不大，一般在一至十瓩之间，风轮机很容易满足这种要求，所以农村中最为适用。在我国内蒙草原、西北平原和山区以及新疆等地有些地区，往往因为缺水缺煤，不能建立水力、火力发电站，影响垦荒和农业生产。这些地区，一般多是一年四季有风，如果使用风轮机，最合理想。此外在沿海地区以及全国各地，风力很均匀普遍，都可使用风轮机。在风速较高的地区，还可以建立一百瓩以上的大功率风轮机，用以发电，供应工业建设需要。所以，利用风能，对于国民经济建设，意义是重大的。
目前使用的风轮机，可以概括地分为两大类。一类是叶翼旋转平面与风向平行一致，转轴多为垂直方向，但也可为水平方向的；一类是叶翼旋转平面与风向垂直，转轴一律是水平方向的。第一类风轮机采用垂直转轴时，风从任何方向吹来，都能转动，这是它的优点。江苏省里下河一带农民创造的走马灯式的带八个到十个布帆叶翼的大风车，就属于这一类。这类风轮机的缺点是风能利用系数低。理想的最高值，仅为零点三三三。实际数值更低，在零点零八至零点一六之间。同时因为转动叶翼的直线速度始终比风速小，所以转轴的转速很低，如用以带动发电机，就必须有比较大的增速装置。由于能量利用系数低，以致单位功率需用材料多，造价就高，且结构复杂，不适用于高速风，所以这类风轮机，现已很少使用，正在被淘汰中。第二类风轮机是目前世界各国使用最多的一类。它可区分为简易的低转速的一种和现代化的高转速的一种。前者适用于产生五瓩以下的小功率，后者适用于产生十瓩以上的中大型功率。
低转速的风轮机，一般具有叶翼四个至二十四个。叶翼直径大都在十米以下。叶翼可用布帆或木板做成。全部结构如叶翼、支架、转轴、调节装置等，除轴承少量金属接头及钢丝绳外，均可用木材竹料做成；因此可以就地取材，造价低廉；同时制造及使用技术，要求不高，所以在各国农村中，使用得比较早，也很普遍。例如目前我国江苏兴化县就有这种类型的风轮机三万多部，每部平均可产生功率三至五瓩。全国其他各地，也在大量使用，深为群众欢迎。十八世纪中叶，荷兰在全国各地，即建有此种风轮机七八千部，用以排灌和加工农产品，对于当时的荷兰国民经济建设，起了促进作用。直到今天，仍有一千多部在使用。此外如丹麦、希腊、英国等岛屿国家，在农村中，多年来也广泛地使用这种简易的风轮机。低转速风轮机比上述第一类风轮机较好，但仍有缺点，如风能利用系数低，结构复杂，不牢固，只适用于低速风等。所以当我们需要利用高速风产生大功率的时候，就不得不采用新型的高转速的风轮机了。
许多国家都在加强高速风轮机的研究试制工作；目前全世界各种风轮机的总功率约为五十五万瓩
高转速的风轮机，是一种现代化的动力机械。一般具有两个至四个叶翼。每个叶翼的剖面，都呈流线型，与飞机上螺旋桨叶翼剖面相似。自叶翼根部至尖端，沿不同半径处的剖面型线，也各不相同。选择这些剖面型线，要根据气体动力学来考虑决定；主要的要求是升力／阻力比愈大愈好；比值大就能提高风能利用系数。高速风轮机的使用，还是近几十年的事，不像低速风轮机出现得那么早，使用得那么普遍。但最近各国都在加强研究试制工作。例如英国于1949年在苏格兰海岸建立一台一百瓩的风轮机实验发电站，三个叶翼、液压变距调速，目前仍在运行。美国曾于1940年在北部山区建立了一个一千二百五十瓩的风轮机发电实验站，两个叶翼，全金属结构，进行五年研究工作的结果，认为大功率风轮机的机械结构问题，已可完满解决；而经济性更好的发电站功率，应在两千瓩左右。西德于1947年设计了一座一万四千瓩的巨型风轮机发电站，塔高二百五十米，利用风速较为稳定的高空气流，但迄今尚未制成。这些国家的研究试制工作至今仍在实验阶段。在创制高速现代化风轮机方面，苏联是远远走在世界各国的前面。首先流体力学大师儒可夫斯基奠定了风轮机的基本理论，找出了最高风能利用系数为零点五九三。1923年，苏联中央流体力学研究所创制了新型叶翼，使原有风轮机效率提高二到二点五倍。根据发表数字，到1954年止，全苏共有新型风轮机站近三万处，总功率约十二万瓩。最大发电机组为一百瓩。今后还准备建立三十瓩的发电站六十万处，广泛在国营农场和集体农庄中使用。
我国对高速风轮机的研究试制工作，是在最近几年才开始的。但在短短的几年里，各地已先后做出品种不同的高速风轮机十多种，如营口十六点八米三翅机、辽宁活向尾车机组，吉林五十七型，内蒙58—7型等，成绩很大，为将来的推广使用提供了有利的条件。
根据初步估计，目前全世界各种风轮机的总功率约为五十五万瓩，其能量相当于年产五十万吨煤。这个数量，若与全球可以利用的风能资源两三百亿瓩相比较，真是微不足道。什么原因限制了我们利用这项财富呢？大量利用风能的主要障碍有两方面。一方面是风轮机的性能不够完善，造价高。另一方面是风源不稳定：时有时无，时快时慢，同时风向也常改变，造成运行的不稳定。这对于被带动的动力机械和要求转速稳定的发电机来讲，都是不合适的。针对着这些问题，各国从事风轮机的工作者沿着不同的途径，进行研究。为了提高风轮机的效率，就必须对叶翼的气体动力学作理论的探讨。为了使风轮机能适应风源不定的情况，就需要提供有效的调向调速方法。对于低转速小功率风轮机的人工移位调向，尾翼或旋转尾车自动调向和人工操纵布帆调速的几种装置。对于高转速大功率风轮机的机械转向调速，液压变距调速，离心式稳定叶片调速和电动调向调速等装置，均需继续研究改进。而后者的调节装置，都应是高度自动化。为了避免暴风的袭击，每个风轮机就需装有自动安全防护措施，以免过速损毁。为了选定最有利的地点，建立风轮机站，就需要有长时间的可靠风源资料，并需进行整理分析。尤其是建立大功率风轮机发电站，选择地点是项繁重的工作。为了风轮机发电站能经常供电，就必须有调节电量的储能设备。有时还要考虑与水轮机，或者与内燃机一同安装，以保证随时供电。河北安次县大王务乡，最近建立了一座风、水、沼、火联合发电站，这是群众结合当地情况的创举。
目前最要紧的事情是把低速小功率风轮机的机构简化，就地取材，以减低造价，同时改进设计，保证使用灵活可靠。把高速大功率风轮机的研究试制工作推进一步，定型推广。再按照当地风源条件，执行土洋并举，大中小相结合的方针，大力建立各种风轮机站。