㈠ 風能的利用
圖片 http://www.pep.com.cn/200406/ca446599.htm
http://pic.people.com.cn/GB/42592/3769732.html
製造風能機械，利用風力發電是風能利用的兩項主要內容。風力發動機是一種把風能變成機械能的能量轉化裝置。如圖1－4所示，風力發動機由5部分組成：
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（1）風輪。風輪由二個或多個葉片組成，安裝在機頭上，是把風能轉化為機械能的主要部件。
（2）機頭。機頭是支承風輪軸和上部構件（如發電機和齒輪變速器等）的支座，它能繞塔架中的豎直軸自由轉動。
（3）機尾。機尾裝於機頭之後，它的作用是保證在風向變化時，使風輪正對風向。
（4）回轉體。回轉體位於機頭底盤和塔架之間，在機尾力矩的作用下轉動。
（5）塔架。塔架是支撐風力發動機本體的構架，它把風力發動機架設在不受周圍障礙物影響的高空中。
根據風輪葉片的數目，風力發動機分為少葉式和多葉式兩種。少葉式有2～4個葉片，具有轉速高，單位功率的平均質量小，結構緊湊的優點；常用在年平均風速較高的地區。是目前主要用作風力發電機的原動機。其缺點是啟動較為困難。多葉式一般有4～24個葉片，常用於年平均風速低於3～4米／秒的地區；具有易啟動的優點，因此利用率較高。由於轉速低，多用於直接驅動農牧業機械。
風力發動機的風輪與紙風車轉動原理一樣，但是，風輪葉片具有比較合理的形狀。為了減小阻力，其斷面呈流線型。前緣有很好的圓角，尾部有相當尖銳的後緣，表面光滑，風吹來時能產生向上的合力，驅動風輪很快地轉動。對於功率較大的風力發動機，風輪的轉速是很低的，而與之聯合工作的機械，轉速要求較高，因此必須設置變速箱，把風輪轉速提高到工作機械的工作轉速。風力發動機只有當風垂直地吹向風輪轉動面時，才能發出最大功率來，由於風向多變，因此還要有一種裝置，使之在風向變化時，保證風輪跟著轉動，自動對淮風向，這就是機尾的作用。風力發動機是多種工作機械的原動機。利用它帶動水泵和水車，就是風力提水機；帶動碾米機，就是風力碾米機；此類機械統稱為風能的直接利用裝置。帶動發電機的就叫風力發電機。它們均由兩大部分組成，一部分是風力發動機本體和附件，是把風能轉化為機械能的裝置；另一部分是電氣部分，包括發電機及電氣裝置，把機械能轉化為電能，並可靠地提供給用戶。小風力發電機的容量不大，功率一般從幾瓦到幾千瓦，大都具有結構簡單，搬運方便的優點。按風力發動機與發電機的連接方式分，有變速連接的和直接連接的兩種。
在風能的利用中，蓄能是一個重要的問題。特別是對於風力發電，在很大程度上，其生命力由蓄能裝置（如蓄電池）的可靠程度來決定。有了蓄能裝置，在有風的時候，把多餘的能量儲存起來；在無風時，輸出應用。各種蓄能方式的研究是風能利用的一個急待解決的重要任務。
在自然界的能源中，風能是極其豐富的。據粗略估計，近期可以利用的風能總功率約為106～107兆瓦，這個數值比全世界可以利用的水力資源大10倍。但是，這筆巨大的自然財富還有待人類去大力開發。
我國是利用風能最早的國家。早在2000多年以前，利用風力驅動的帆船已經在江河中行駛，明代開始應用風力水車灌溉農田，並且出現了用於農產品加工的風力機械。
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風輪機可以分為水平軸和垂直軸兩大類。
圖8－2是一種水平軸風輪機。高高的機架上裝著一個可以在水平方向轉動的工作台，檯面上有發電機。台架的尾部裝有一個尾舵，它靠風力來回轉動，讓風輪總是迎風轉動。巨大的風輪葉片有十幾米長，轉動起來的力量是很大的。
在丹麥日德蘭半島北部的奧爾堡，有一座巨大的風車。安裝風車和發電設備的鋼筋混凝土塔有13層樓高，塔頂直徑3米，塔底直徑6米。風車的葉片長27米，一個葉片就有5噸重。在風力推動下，巨大的風車每分鍾轉40轉。風車後邊的雪茄煙形狀的機艙里安放著發電機，它每年可發電400萬千瓦時。
這座巨大的風力發電機，是一所中學、一所師范大學和一所「旅行大學」的教師和學生籌資建成的，沒有向政府和工業界要一分錢。工程設計、建造以及部分零件的製造，都是數百名學生和教師一起完成的，只聘請了4位工程師和專家作指導。這是世界上業余愛好者製作的最大的風車。
垂直軸的風輪機，也叫中國式風輪機，它的「祖先」是立帆式風輪機，誕生在我國北方沿海一帶，估計是在宋朝時出現的。這種風輪機的軸與風向大體垂直，是豎直向上的，風帆總是朝一個方向轉動。
圖8－3是我國研製的垂直軸風輪機示意圖，豎直的軸在風吹時轉動，帶動下部的發電機發電。這種風力發電站是大有發展前途的。
我國適合風力發電的區域非常廣闊，特別是東南沿海和西北草原地區。這些區域的年平均風速分別達到6～8米／秒和4～6米／秒，具有相當大的開發、利用價值。
我國科技人員在七五計劃期間，進行風能利用的攻關。研製了6種百瓦級、4林千瓦級和4種10千瓦級風力發電機組，使我國風力機系列55千瓦級以下品種基本齊全，性能和質量有了新的提高。主要性能指標均達到國際先進水平。其中研製的兩台55千瓦發電機組，已在山東長島安裝，部分性能指標達到國外樣機的水平。研製的5種風力提水機組，其中FDG－7型大流量風力提水機組，是我國目前功率最大的風力提水機組，在低揚程大流量風力提水機類型中，處於國內外領先地位。
《物理世界》第二冊
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