1.1 风能利用

风能是地球表面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含量不同，因而引起各地气压差异，高压空气向低压地区流动，即形成风，因此风能是太阳能的一种重要转换形式。太阳把能量以热能的形式传到地球，其中大约2%转化为风能。地球表面的风能总量十分可观，约为2.74×10⁹MW，其中可利用风能约为2×10⁷MW。

1.1.1 风能特点

风能与其他能源相比，有其显著的特点。

1.风能的优越性

（1）风能的蕴藏量巨大。太阳氢核稳定燃烧时间在60亿年以上，风能是太阳能的一种转化形式，故人们常以 “取之不竭，用之不尽”来形容风能利用的长久性。根据专家估算，在全球边界层内风能总量相当于目前全世界每年所燃烧能量的3000倍左右。

（2）就地可取，无需运输。由于矿物能源煤炭和石油资源地理分布的不均衡，给交通运输带来了压力。电力的传送虽然方便，但为了向人烟稀少的偏远地区送电而架设费用高昂的高压输电线路，显然需要较大的前期投入。因此，就地取材开发风能是解决我国偏远地区能源供应的重要途径。

（3）分布广泛，分散使用。如果将在地表上10m高处、密度大于150W/m²的风能作为有利用价值的能源，则全世界约有2/3的地区具有这样有价值的风能。虽然风能分布也有一定的局限性，但是与化石燃料、水能和地热能等相比，仍称得上是分布较广的一种能源。风力发电系统可大可小，因此便于分散使用。

（4）不污染环境，不破坏生态。化石燃料在使用过程中会释放出大量的有害物质，使人类赖以生存的环境受到破坏和污染。风能在开发利用过程中不会给空气带来污染，也不破坏生态，是一种清洁安全的能源。

2.风能的弊端

（1）能量密度低。空气的密度仅是水的1/773，因此在风速为3m/s时，其能量密度仅为0.02kW/m²，而水流速为3m/s时，能量密度为20kW/m²。在相同流速下，要获得与水能同样大的功率，风轮直径要相当于水轮的27.8倍。由此看来，风能是一种能量密度极其稀疏的能源，单位面积上只能获得很少的能量。

（2）能量不稳定。风能对天气、气候以及地貌等非常敏感，随机性大。虽然各地区的风能特性在一个较长时间内大致有一定的规律可循，但是其强度每时每刻都在不断地变化之中，不仅年度间有变化，而且在很短的时间内还有无规律的脉动变化，即时空差异大，风能的这种不稳定性给风能开发利用带来了一定的难度。

1.1.2 风能利用的主要形式

我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在商代就出现了帆船，有文字记载 “随风张幔曰帆”，后来又发明了帆式风车，在 《天工开物》中就有记载 “杨郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”的论述。明代以后风车被广泛应用于提水灌溉、制盐等。在国外，相传公元前17世纪，巴比伦国王哈姆拉比 （Hammurabi）曾经打算借助风力灌溉富饶的美索不达米亚平原，当时所设计的风力机雏形与伊朗高原现存的风车遗迹类似，伊朗高原风车遗址如图1-1所示。公元前2世纪，古波斯人利用垂直轴风车进行碾米，直到中世纪，风车才在意大利、法国、西班牙和葡萄牙出现，而传到英国、荷兰和德国还要晚一些，19世纪出现的多叶片低速风车并没有在欧洲大陆上推广开来，却在1870年前后风靡美国，并由此得名 “美国风车”。综合来看，风能利用主要有风力提水、风帆助航、风力制热、风力发电等形式。

1.风力提水

风力提水从古至今一直被广泛应用，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”。风力提水作为风能利用的主要方式之一，在解决农牧业灌排、边远地区的人畜饮水以及沿海养鱼、制盐等方面都不失为一种简单、可靠、有效的实用技术。根据提水方式的不同，现代风力提水机可分为风力直接提水和风力发电提水两大类，风力提水机又可分为高扬程小流量型、中扬程大流量型和低扬程大流量型。图1-2为典型的高扬程小流量风力提水机。

图1-1 伊朗高原风车遗址

图1-2 高扬程小流量风力提水机

2.风帆助航

我国是最早使用帆船的国家之一，至少在3000年前的商代就出现了帆船。唐代有“长风破浪会有时，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我国的明代，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。在机动船舶发展的今天，为节约燃油和提高航速，古老的风帆助航也得到了发展。航运大国日本已在万吨级货船上采用电脑控制的风帆助航，节油率达15%。图1-3为风帆助航用于现代航运。

3.风力制热

风力制热主要有液体搅拌制热、固体摩擦制热、挤压液体制热和涡电流法制热等。目前，风力制热主要用于浴室、住房、花房、家禽、牲畜养殖房等的供热采暖。图1-4为液体搅拌风力制热系统装置。

图1-3 风帆助航

图1-4 液体搅拌风力制热系统装置

4.风力发电

风力发电是指把风的动能先转变成机械动能，再把机械能转化为电能。风力发电的工作原理，是利用风力带动风力机叶片旋转，再通过增速齿轮提高旋转速度，进而驱动发电机发电。因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，因而正风靡全球。图1-5为现代风力机的两种主要型式。

图1-5 风力机