簡介
風力機風力機，將風能轉換為機械功的動力機械，又稱風車。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發動機。
許多世紀以來，它同水力機械一樣，作為動力源替代人力、畜力，對生產力的發展發揮過重要作用。近代機電動力的廣泛套用以及20世紀50年代中東油田的發現,使風力機的發展緩慢下來。70年代初期,由於“石油危機”，出現了能源緊張的問題，人們認識到常規礦物能源供應的不穩定性和有限性，於是尋求清潔的可再生能源遂成為現代世界的一個重要課題。風能作為可再生的、無污染的自然能源又重新引起了人們重視。
簡史
風力機風車最早出現在波斯，起初是立軸翼板式風車，後又發明了水平軸風車。風車傳入歐洲後，15世紀在歐洲已得到廣泛套用。荷蘭、比利時等國為排水建造了功率達66千瓦（90馬力）以上的風車。18世紀末期以來，隨著工業技術的發展，風車的結構和性能都有了很大提高，已能採用手控和機械式自控機構改變葉片槳距來調節風輪轉速。
風力機用於發電的構想始於1890年丹麥的一項風力發電計畫。到1918年，丹麥已擁有風力發電機120台，額定功率為5～25千瓦不等。第一次世界大戰後，製造飛機螺鏇槳的先進技術和近代氣體動力學理論為風輪葉片的設計創造了條件，於是出現了現代高速風力機(見彩圖)。1931年，蘇聯採用螺鏇槳式葉片建造了一台大型風力發電機，風速為13.5米/秒時,輸出功率達100千瓦,風能利用係數提高到0.32。
在第二次世界大戰前後，由於能源需求量大，歐洲一些國家和美國相繼建造了一批大型風力發電機。1941年，美國建造了一台雙葉片、風輪直徑達53.3米的風力發電機,當風速為13.4米/秒時輸出功率達1250千瓦。
風力機英國在50年代建造了三台功率為 100千瓦的風力發電機。其中一台結構頗為獨特，它由一個26米高的空心塔和一個直徑24.4米的翼尖開孔的風輪組成。風輪轉動時造成的壓力差迫使空氣從塔底部的通氣孔進入塔內，穿過塔中的空氣渦輪再從翼尖通氣孔溢出。法國在50年代末到60年代中期相繼建造了三台功率分別為1000千瓦和800千瓦的大型風力發電機。
現代的風力機具有增強的抗風暴能力；風輪葉片廣泛採用輕質材料；運用近代航空氣體動力學成就，使風能利用係數提高到0.45左右；用微處理機控制，使風力機保持在最佳運行狀態：發展了風力機陣列系統；風輪結構形式多樣化。
法國人在20年代發明的垂直軸風輪在淹沒了半個多世紀之後，已成為最有希望的風力機型之一。這種結構有多種形式，它具有運轉速度高、效率高和傳動機構簡單等優點，但需用輔助裝置起動。人們還提出了許多新的構想，如鏇渦集能式風力機，據估計這種系統的單機功率將100～1000倍於常規風力機。
中國利用風車的歷史至少不晚於13世紀中葉，曾建造了各種形式的簡易風車碾米磨麵、提水灌溉和製鹽。直到20世紀50年代仍可見到“走馬燈”式風車。
太陽對大氣層的不均勻照射和地球表面吸熱能力的不同，在大氣層中引起冷熱空氣的強烈對流而形成風。風的動能與風速的三次方成正比。
風力機的主要部件是風能接收裝置。一般說來，凡在氣流中能產生不對稱力的物理構形都能成為風能接收裝置，它以鏇轉、平移或擺動運動而發出機械功。
風力機大都按風能接收裝置的結構形式和空間布置來分類，一般分為水平軸結構和垂直軸結構兩類。以風輪作為風能接收裝置的常規風力機為例，按風輪轉軸相對於氣流的方向可分為水平軸風輪式(轉軸平行於氣流方向)、側風水平軸風輪式(轉軸平行於地面、垂直於氣流方向)和垂直軸風輪式(轉軸同時垂直於地面和氣流方向)。
廣義風力機還包括那些利用風力產生平移運動的裝置，如風帆船和中國古代的加帆手推車等。但無論何種類型的風力機，都是由風能接收裝置、控制機構、傳動和支承部件等組成的。近代風力機還包括發電、蓄能等配套系統。
風力機的經濟效益在相當大程度上取決於安裝地點的風力狀態，通過氣象測量可得到安裝地點的一條風速持續曲線。輸出功率隨風速增高逐漸增大，當風速持續增高時，通過調節葉片槳距或其他方法可使功率輸出穩定在額定值。
世界上已有數萬颱風力機在運行，作為輔助能源正在發揮這巨大的作用。但風力機仍存在若干不足之處，首先是能量輸出不穩定，特別是大型風力機的利用率低，作為獨立能源的條件還不具備；其次，風力機的安全可靠性尚無充分保障；另外，風力機的成本在短期內尚不足以與礦物燃料相競爭。但是，隨著人類對能源需求量的日益增多和科學技術的發展，上述問題終會得到解決。
風力發電雖然已經經歷了一個多世紀發展，但從最初的技術到現在為有本質的改進，成本和火電雖然接近，但是它的建造環境要求以及對於自然環境的影響已然體現（最近美國加利福尼亞因為風力發電機的噪聲和對鳥類的危害，停止了4000颱風力發電機的運行），另外，某些科學家指出，在同一地區大量採用超大型水平軸風力發電機還可能會對當地的季風流動產生影響。當一個國家或地區容量達到一定時候（20%以上），分布地區的限制還會導致電網的不穩定，如果採用輔助設備來調節，那么它的成本顯然會直線上升！
雖然我們在替代能源研究這方面遇到了很大的困難，但可喜的是，最近國外一家新能源權威雜誌報導，英國一家公司和美國GE都提出了一項計畫，開展一項新型風力發電機的研究，它是垂直軸風力發電機形式，單台功率可達到10-60MW級，該設備將不產生噪音和對季風風向改變等影響，鏇轉速度將大幅放慢，對鳥類幾乎不受影響。它的發電成本是火力發電的一半左右，風力發電場的設定地點不再要求苛刻，實現了低風速啟動發電。它的設定地點靈活、成本低，使區域性調節電力輸出成為了可能。
這項研究計畫地展開，將為我們打開能源時代的新篇章，為地球未來能源發展勾畫了藍圖！
特點
新一代風力機的特點是：①增強抗風暴能力；②風輪葉片廣泛採用輕質材料,如玻璃纖維複合材料等;③運用近代航空氣體動力學成就使風能利用係數提高到0.45左右；④用微處理機控制，使風力機保持在最佳運行狀態;⑤發展風力機陣列系統;⑥風輪結構形式多樣化。法國人在20年代發明的垂直軸風輪在淹沒了半個多世紀之後，已成為最有希望的風力機型之一。這種結構有φ型、Δ型、Y型和◇型等多種形式。它具有運轉速度高、效率高和傳動機構簡單等優點，但需用輔助裝置起動。人們還提出了許多新的構想，如鏇渦集能式風力機，據估計，這種系統的單機功率將100～1000倍於常規風力機。
中國利用風車的歷史至少不晚於13世紀中葉，曾建造了各種形式的簡易風車碾米磨麵、提水灌溉和製鹽。直到20世紀50年代仍可見到“走馬燈”式風車（圖1）。中國已研製出30餘種現代風力機，主要用作簡易提水工具。60年代研製出功率 3千瓦、葉輪直徑6米的FWG－6型低速風力機。
基本原理
風力機太陽對大氣層的不均勻照射和地球表面吸熱能力的不同，在大氣層中引起冷熱空氣的強烈對流而形成風。 風的動能與風速的 3次方成正比。用v表示空氣速度，用ρ表示質量密度， 則單位時間內流過風輪掃掠面積 A的空氣品質(m)為ρAv，於是空氣動能便是
。由於氣體的可壓縮性,氣體質點穿過風輪掃掠面──能量轉換界面時,風速由v1降為v2，即v1＞v2。因自然風速v1隻能有一部分被利用,若以風能利用係數Cρ表示利用程度,則可利用風能為
，其中Cρ＜1。根據氣體動量理論推導出風能利用係數的最大可能值為
或0.593， 因此風輪輸出功率與風輪的工作面積成正比。Cρ取決於風輪和葉片的結構和工藝。舊式風車Cρ≈0.10,現代風力機Cρ＝0.3～0.4，最高可達 0.5。另外，現代風力機在能量傳輸過程中大約還要損失 1/3理論上應輸出的功，則有效輸出功為：
或
，式中D為風輪直徑。
構成和分類
風力機風力機的主要部件是風能接收裝置。一般說來，凡在氣流中產生不對稱力的物理構形都能成為風能接收裝置，它以鏇轉、平移或擺動運動而發出機械功。各類風能接收裝置的取捨取決於使用壽命和成本的綜合效益。風力機大都按風能接收裝置的結構形式和空間布置來分類，一般分為水平軸結構（圖2）和垂直軸結構（圖3）兩類。以風輪作為風能接收裝置的常規風力機，按風輪轉軸相對於氣流方向的布置分為水平軸風輪式（轉軸平行於氣流方向）、側風水平軸風輪式（轉軸平行於地面、垂直於氣流方向）和垂直軸風輪式（轉軸同時垂直於地面和氣流方向）。廣義風力機還包括那些利用風力產生平移運動的裝置，如風帆船和中國古代的加帆手推車等。無論何種類型的風力機，都是由風能接收裝置、控制機構、傳動和支承部件等組成的。近代風力機還包括發電、蓄能等配套系統。
風速－功率運行曲線
風力機風力機的經濟效益在相當大程度上取決於安裝地點的風力狀態。通過氣象測量可得到安裝地點的一條風速持續曲線(圖4)。圖4中橫坐標為年小時數,總數為8760小時；縱坐標為風速。曲線上任意點都代表安裝地點一年中出現超過此點風速的累計小時數。功率與風速的立方成正比，所以可由風速持續曲線得到一條與之類似的功率持續曲線(圖5)。圖5中gfe三角區因風速太低,為不可利用區。g點對應的風速相當於3米／秒，此時有顯著的功率輸出。gf稱為開始工作點。輸出功率隨風速增高逐漸增大，在 c點風力機達到額定輸出功率。當風速繼續增高時，通過調節葉片槳距或其他方法可使功率輸出穩定在額定值。b點相當於風速 27米／秒左右。為避免被風暴損壞，風力機在此點處應關機。功率曲線下的陰影面積bcfgh代表實際年輸出能量。如果風力機全年滿負荷運行，則adeo矩形面積代表全年輸出的能量。bcfgh與adeo之比稱為風力的年負載係數。將負載係數乘以8760就得到風力機一年中滿載運行的當量小時數。
存在問題
風力機世界上已有數萬颱風力機在運行，作為輔助能源正在發揮作用。但風力機仍存在若干不足之處：①能量輸出不穩定,特別是大型風力機的利用率低,作為獨立能源的條件還不具備；②安全可靠性尚無充分保障；③成本在短期內尚不足以與礦物燃料相競爭。但是，隨著人類對能源需求量的日益增多和科學技術的發展，上述問題終會得到解決。
參考書目
張之一等編著：《風力機》，內蒙古人民出版社，呼和浩特，1979。
