但是自從1973世界石油危機之後，常規能源就告急了。特別是近年來，隨著世界工業經濟的發展，人口的急劇增加，人類欲望的無限上升，生產生活方式的無節制，整個世界呈現出經濟快速增長，能源消耗不斷增加的趨勢。大量化石能源的使用直接導致了越來越嚴重的環境汙染。特別是以二氧化碳為主的溫室氣體排放急劇上升，導致全球變暖，冰川積雪減少，兩極冰山融化，海平面明顯上升，引發沿海地區洪水，影響生態環境。在此背景下，如何應對全球變暖成為全世界共同關註的話題，成為全人類面臨的巨大挑戰之壹。風能作為壹種可再生的清潔能源，發展潛力巨大，越來越受到青睞，特別是對於沿海島嶼、交通不便的偏遠山區、地廣人稀的草原牧場、遠離電網、近期難以到達的農村和邊疆。風能作為解決生產生活能源的可靠途徑，意義重大(李莉，2016)。
中國位於亞洲大陸東南部，靠近太平洋西岸，季風強烈。季風是中國氣候的基本特征。比如冬季風在華北持續6個月，東北持續7個月，東南季風遍布中國東半部。中國風能資源總儲量為1.6×106MW。我國風電產業雖然起步較晚，但基於國家政策和資金的支持，發展迅速。到目前為止，中國已經在河北張家口、內蒙古榮成、山東營口、遼寧富錦、新疆達阪城、廣東南澳、海南建設了多個大型風電場，並計劃在江蘇南通、灌雲、鹽城建設GW級風電場。
目前，中國加大了對風能利用和開發的投入，使得高效清潔的風能利用在中國能源格局中占據了應有的地位。
壹、風能的成因和特點
風能是地球表面大量空氣流動產生的動能，是太陽能的壹種轉換形式。由於氣溫變化不同，受太陽照射後空氣中水汽含量不同，各地氣壓不同，高壓空氣在水平方向流向低壓區，形成風。
風速9 ~ 10 m/s的五級風吹在物體表面的力，約為每平方米0.1kN。風速20m/s的9級風對物體表面的作用力可達每平方米0.5kN左右。臺風的風速可達50 ~ 60m/s，對每平方米物體表面的壓力可達2.0kN以上，洶湧的波浪被風攪動，對海岸的沖擊極大，有時甚至高達每平方米200 ~ 300 kN，甚至高達每平方米600kN。這說明風的能量是超乎我們想象的。
風能不僅能量大，而且在自然界中發揮著巨大的作用。能在地表輸送水分，水汽主要靠強氣流輸送，影響氣候，形成雨季和旱季。風中的能量遠高於人類迄今所能控制的能量。與其他能源相比，風能既有明顯的優勢，也有壹定的局限性。其特點包括:
(1)巨大。據估算，雖然到達地球的太陽能中只有約2%轉化為風能，但其總量相當可觀，全球風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能約為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量大10倍。全世界每年燒煤獲得的能量，還不到風電同時給地球提供的能量的1%。
(2)來源豐富，取之不盡。風是由重復的自然循環引起的，在地球上分布很廣。
(3)無汙染，清潔無害。風能本身屬於清潔能源，成熟的風能利用轉換技術也是環保無汙染的。
(4)能量密度低。這是風能的壹個重要缺陷，因為風能來源於空氣的流動，而空氣的密度很小，所以風能的能量密度也很小。從表4-2可以看出，在各種能源中，風能的能量密度極低，給其利用帶來了壹定的困難。
(5)不穩定性。氣流變化頻繁，風的脈動、日變化和季節變化非常明顯，波動性大，具有季節性和隨機性的特點。
(6)地區差異大。由於地形的變化，風電的區域差異非常明顯。鄰近地區和有利地形的風力可能是不利地形的幾倍甚至幾十倍。
表4-2各種能源的能流密度
二、中國風能資源的分布
我國幅員遼闊，陸地總面積2萬多公裏，海岸線1.8萬多公裏，邊緣海有5000多個島嶼，風能資源豐富。我國現有風電場場址的年平均風速已經達到6 m/s以上，壹般來說，風電場的風況可以分為年平均風速優於6m/s、7m/s和8 m/s三類，根據風速頻率曲線和機組的功率曲線，可以估算出國際標準大氣狀態下機組的年發電量。我們國家相當於6m/s以上的地區，只限於全國少數地區。內陸僅占全國總面積的1/100左右，主要分布在長江與南澳島之間的東南沿海及其島嶼。這些地區是中國最大的風能資源區，風能資源豐富，包括山東、遼東半島、黃海沿岸、南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島，以及從陰山山脈以北到大興安嶺以北的內蒙古、新疆達阪城。
第三，風能的利用
原則上，任何能在風的流動中產生不對稱力的物體都可以產生旋轉、平移或振動，從而獲得風能。風能最早的用途是帆。目前風能主要用於以下幾個方面。
(壹)風抽水
風力提水作為風能利用的主要方式，歷史悠久。千百年來，它壹直是解決農業排灌、牧區人畜飲水和池塘養殖、沿海灘塗制鹽問題的壹項簡單實用的技術，特別是在許多電網不如它的邊遠地區和沿海海島，對節約常規能源、改善生態環境、促進當地經濟社會可持續發展具有重要的現實意義。早在明代，方以智的《物理要訣》中就記載了“六帆灌田，全用淮揚海”，描述了當時人們用帆趕水車灌溉田地的情景(劉慧敏等，2011)。
根據揚程和流量的不同，現代風力提水機組可分為三種類型(表4-3):壹種是高揚程低流量型，這類機組的風輪直徑壹般小於6m，揚程為20 ~ 100 m，主要用於深井抽取地下水，它將風輪軸的旋轉運動轉化為活塞泵的往復直線運動進行抽水作業；第二種是中揚程大流量型。這種水泵機組的風輪直徑壹般為5 ~ 8m，揚程為10~20m ~ 20m，流量為15 ~ 25m3/h，主要用於抽取地下水。這種風力驅動水泵壹般是現代的流線型葉片，效率高，性能先進，適用性強，但成本比傳統的風力驅動水泵高。最後壹種是低揚程大流量型。該類型機組的揚程壹般為0.5 ~ 3m，流量為50 ~ 100m3/h，機組風輪直徑為5 ~ 7m。它可以提取地表水如河水、湖水或海水用於農田灌溉和排水、鹽場制鹽和水產養殖。風輪軸的動力通過錐齒輪傳遞給水車或螺桿泵。壹般采用自動迎風機構來調節風輪的風向，采用機翼-配重調速機構進行自動調速。
表4-3國內幾種常用的風泵及其性能表(根據劉慧敏等，2011)
(2)帆船有助於航行
人類長期以來壹直使用風能作為船只的推進動力。公元前的古埃及和巴比倫就出現了帆船運動，而中國早在秦漢時期就有帆船的記載。早在15世紀初，著名的明朝鄭和船隊就是壹支大型帆船艦隊。到16世紀末，以帆為動力的大型商船和戰艦在歐洲已經非常普遍。直到螺旋槳被用作推進器，蒸汽機出現，古代帆船才逐漸退出歷史舞臺。
現代帆板和古代帆板的使用原理完全不同。首先，古代帆板是以帆板為主要推進動力輔助的，而現代帆板是以發動機為主要推進動力，以帆板為助推手段推進的，既能利用帆板節能環保的特點，又能最大限度地減少對帆板的環境限制。目前萬噸級貨船采用電腦控制風帆輔助航行，節油率達到15%。
(3)風力加熱
近年來，隨著人們生活水平的提高，家庭能源中對熱能的需求越來越大，特別是在壹些高緯度地區，如歐洲和北美，取暖和燒水的能耗較高。為了滿足生活和低品位工業熱能的需求，風力供熱取得了很大的進展。
所謂風加熱，就是將風能轉化為熱能。風力加熱有三種方式:壹是風力發電機發電，然後通過電阻絲將電能轉化為熱能。雖然電能轉化為熱能的效率是100%，但是風能轉化為電能的效率很低，所以從能量利用的角度來說，這種方法並不可取；二是風能通過風力發電機轉化為空氣壓縮能，再轉化為熱能，即由風力發電機帶動離心式壓縮機對空氣進行絕熱壓縮，釋放熱能；第三種是用風力渦輪機將風能直接轉化為熱能(王茜等，2015)。顯然，第三種方式具有最高的加熱效率，因此應用最廣泛。有許多方法可以用風力渦輪機將風能直接轉化為熱能。最簡單實用的就是攪拌液體加熱，即風力發電機帶動攪拌器旋轉，使液體變熱。此外，還有固體摩擦加熱和渦流加熱。
(4)風力發電
近年來，風力發電逐漸成為風能利用的主要形式，各國都非常重視風力發電，其發展速度極快。
1.風力發電原理
風力發電的原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，然後通過增速器提高轉速，推動發電機發電(圖4-4)。按照現在的風車技術，3米/秒左右的微風速度就可以開始發電，風力發電正在成為全世界的熱潮，因為風力發電不需要使用燃料，也不會產生輻射和空氣汙染。
圖4-4風力渦輪機
2.風力發電的形式
1)離網應用
風力發電機的離網應用有很多種，主要分為以下幾類:
(1)給電池充電:這種應用主要指單戶住宅的小型風力渦輪機。轉子直徑3m(功率範圍40 ~ 1000 W)的風力發電機就屬於這壹類。
(2)為偏遠地區提供可靠的電力:包括小型、無人值守的風力發電機。風力渦輪機通常連接到蓄電池，也可以連接到其他電源，如光伏電池或柴油發電機。典型用途包括為海上導航設備和遠程通信設備供電。
(3)供水供暖:這種系統多用於私房。典型的用法是將風力渦輪機直接連接到浸沒式加熱器或電輻射加熱器。
(4)偏遠地區的其他用途:包括農村供電、小型電網系統供電、商用制冷系統和海水(或苦鹹水)淡化設備供電。
在離網型發電機的應用中，使用風力發電機為電池充電占主導地位。這種風力發電機的轉子直徑通常小於5m，額定功率低於1000W。
2)網絡應用
(1)單臺風力發電機:這些發電機可以為居民、商業、工業或農業提供電力。它的電力負荷接近風力發電機的容量，它也可以連接到電網。在大多數情況下，風力渦輪機安裝在農場或壹組住宅附近。這些風力發電機的功率壹般為10 ~ 100 kW。
(2)風電場:是由控制中心集中安裝、統壹分布、集中管理多臺風力發電機組，發出的電力主要通過電網輸送，不專門服務於壹個地區。這些風力發電機的功率壹般在50 ~ 50~500kW。
這種分散網絡化的風機市場受到國家能源政策的影響。荷蘭、美國、丹麥和德國壹直允許個人將私人風力渦輪機接入電網，並允許將多余的電力出售給當地電力部門。現在有大規模發展的趨勢。
3.國內外風力發電發展現狀
中國是世界上風能資源占有率最高的國家，也是世界上最早利用風能的國家之壹。據統計，我國10m高度風能資源總量為3226GW，其中陸地可開發風能資源總量為253GW。加上海上風能資源，我國可利用風能資源近1，000 GW。如果風能資源開發率達到60%，僅風能就可以支撐中國目前所有的電力需求。
然而，中國對風力發電的利用起步較晚。與世界風力發電發達國家(如德國、美國、西班牙等)相比。)，還是有很大差距的。截至目前，我國已在河北張家口、內蒙古榮成、山東營口、遼寧富錦、新疆達阪城、廣東南澳、海南建設了壹批大型風電場，並計劃在江蘇南通、灌雲、鹽城建設10億瓦風電場。據有關資料顯示，截至2003年底，全球風力發電裝機容量已超過4000×104kW，風力發電占全球供電量的0.5%。截至2013年底，全球電力累計裝機容量達到3.18×105MW，全球風電市場在2009-2013年期間幾乎擴大了2×105MW。但2013年風電裝機容量增加了3.55×104MW，比2012年減少了約104MW。2014年4月，全球風電累計裝機容量已達3.654×105MW，同比增長14.9%。新增裝機容量為4.73×104MW，增長率為34%(朱曉，2014)。
根據2003年底的數據，歐洲是當時世界上風電發展速度最快、裝機容量最大的地區。2003年底，歐洲風電累計裝機容量為2.93×104MW，占世界風電總裝機容量的73%。截至2003年底，美國風電裝機容量達到690×104kW，占世界風電總裝機容量的17%。2003年，與美國和歐洲相比，亞洲的風力發電仍然相對緩慢。除了印度，其他國家的風力發電裝機容量都很小。當時(截至2003年底)排名前五的國家分別是德國(14612MW)、西班牙(6420MW)、美國(6361MW)、丹麥(3076MW)和印度(2120MW)。
這種情況到2013年底有了壹定程度的改變。據相關數據顯示，截至2014年底，中國新增裝機16088.7MW(不含臺灣省)，同比增長24.1%，累計裝機容量9142.4× 65438。新增裝機容量和累計裝機容量均居世界第壹。雖然我國風電產業起步較晚，但基於國家政策和資金的支持，風力發電發展迅速。美洲風電發展穩步推進，而歐洲陸上風電裝機逐漸成為瓶頸，海上風電逐漸成為新的增長點。在亞洲，除了風力發電發展迅速的中國，印度的風力發電發展也不容小覷。截至2013年底，風電累計裝機容量排名前五的國家分別是中國(91424MW)、美國(61091MW)、德國(34250MW)、西班牙(22959MW)和印度(2065438+)。
4.海上風力發電
在風力發電技術不斷發展的過程中，世界各國都出現了明顯的從陸上風力發電向海上風力發電的過渡(圖4-5)。與陸上風力發電相比，海上風能資源更大，同樣高度的海上風速壹般比陸地高20%，發電量高70%。而且風平浪靜的海面少，風力發電機的利用效率更高。目前海上風電機組平均單機容量在3MW左右，最大容量已經達到6MW。同時，海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，所以風切變，即風速隨高度的變化小，不需要很高的塔架，可以降低風機的成本。海上風的湍流強度較低，海面與海面的氣溫差小於陸地與陸地的氣溫差，沒有復雜地形對氣流的影響，因此作用在風機上的疲勞載荷減小，可以延長風機的使用壽命。陸上風機的設計壽命壹般為20年，海上風機的設計壽命可達25年以上。同時，海上風電不占地，更適合人口相對集中、陸地面積相對較小、靠近大海的國家或地區。海上發電的開發利用不會造成空氣汙染和有害物質，而且可以減少溫室氣體的排放，對環境和景觀的負面影響很小。此外，海上風機受噪聲制約較小，轉速壹般比陸地高10%，風機利用效率相應提高5% ~ 6%。然而，海上風力發電的發展也有其不足之處，如建設和維護的技術難度大，建設成本高，遠距離輸電和並網相對困難。總之，海上有豐富的風能資源。結合當今技術的可行性，海上風力發電將成為風力發電的新方向(張弘揚，2016)。
圖4-5海上風力發電示意圖
5.風力發電面臨的機遇和挑戰
根據中國風電發展預測，到2020年底，中國總裝機容量將達到1.2×105 MW，到2050年底，中國總裝機容量將達到5×105 MW。風電的大規模開發將進壹步提升各項技術經濟指標。風電企業的競爭力和盈利能力顯著增強。2020年後，化石燃料資源減少，火電成本增加，風電有市場競爭力，發展更快。2030年水電資源大部分開發完畢，海上風電將進入大規模發展期，很可能形成東電西送的局面。風力發電憑借其良好的環境效益和逐漸降低的發電成本，將在21世紀成為中國的重要電源。然而，中國風力發電的商業化成本仍然很高。如何提高風力發電技術，降低商業開發成本，是風力發電面臨的重要挑戰。
第四，風能利用的發展
(壹)風能利用的弊端
雖然風能是壹種可再生的清潔能源，但仍然存在壹些不可否認的缺點。
1.汙染排放
風力發電機組在建造和運行過程中會產生壹些汙染問題，同時還存在間接排放問題。不同的能源系統在燃料提取、系統建設和運行過程中有不同的二氧化碳排放量。在整個運行期間，風力發電排放的二氧化碳總量很小，僅為燃煤發電系統的1%左右。
2.噪聲問題
風力發電噪聲包括機械噪聲和氣動噪聲，其中氣動噪聲是風速的函數。分析結果表明，轉子直徑小於20m的風力發電機產生的噪聲主要是機械噪聲；轉子直徑較大的風力發電機主要產生氣動噪聲。噪聲問題將影響壹些潛在的風力渦輪機安裝區域的利用，尤其是在人口密集的區域。
傷害鳥類
風力渦輪機的運行會對鳥類造成壹些傷害。當鳥兒撞上塔或翅膀時，它們就會死去。同時，風力發電機的運行也會阻礙附近鳥類的繁殖和棲息。因此，鳥類遷徙飛行路線上的區域應限制風能的利用。
4.幹擾通信
風力發電會成為電磁波傳播的障礙。由於風力發電機的影響，電磁波會被反射、散射和衍射，這意味著風力發電機會幹擾無線電通信。
5.安全問題
雖然風力發電機很少發生安全事故，但還是時有發生。這些事故大多發生在技術人員試圖停止渦輪機時。從操作角度來說，應該不會發生這種事故。
影響外表
雖然美觀問題不是壹個重要的問題，但也是壹個制約因素，尤其是對於那些景區和人口密集的地區。公眾對越來越多的風力發電機景點感到失望和厭倦。因此，如果人們想在視覺上接受風力發電機，不僅可以使用整齊排列風力發電機的方法，還可以采用統壹的尺寸和設計，以增加審美水平。
(二)風能的發展前景
目前，我國風電裝機容量較大，但在全國電源總裝機容量中所占比例還很小，風電的利用在我國仍有可觀的發展前景。主要有四個原因。
1.豐富的自然風能和工業風能資源
據有關調查研究，目前我國可利用的低海拔(即10m以內)天然風能資源(包括陸上風能資源和海上風能資源)十分豐富，約為10×108kW。高空風能資源更加豐富，可達20×108kW。同時，工業風能也有很好的利用前景。工業風能使用更方便，可以為電力行業做貢獻，增加企業效益。
2.社會對清潔能源的需求日益增加。
壹方面，時代的進步使得環保理念深入人心，在能源利用上更加註重清潔、節能和可持續，對風力發電越來越重視，開始傾向於使用新型清潔能源。另壹方面，社會經濟的快速發展也帶來了電力需求的增加。利用風能發電可以有效緩解電力資源的短缺。
3.中國具備良好的電網實施條件。
東部沿海地區經濟比較發達，目前已經安裝了比較完善的高壓輸電網，風電建設難度相對較大，實施合理。針對壹些風力資源豐富但經濟發展相對落後的內陸地區，國家將加大對風電建設的資金投入和政策支持，大大降低建設難度。
4.風電制造業良好的發展基礎
目前，我國對風電建設的投入不斷加大，風電制造業也得到了很大發展，可以為風電建設提供相應的施工設備和技術支持。中國已經能夠大規模生產2MW和1.5MW的風力發電機組，並將繼續生產3MW、5MW和更多的發電機。
國際風電產業正在向集成化、國際化、大型化方向發展，技術要求高，風機可靠，生命周期長，因此對元器件的精度和功能要求高。隨著風力發電技術的發展，風力發電機的原理和結構也在發生變化，未來的風力發電機朝著結構簡化、體積減小的方向發展。風力發電系統中的兩個主要部件是風力渦輪機和發電機。風力發電機向變槳距調節技術發展，發電機向變速恒頻發電技術發展，這是風力發電技術的發展趨勢，也是當今風力發電的核心技術。
未來，我國發展大型風電機組的重點是掌握大型風電機組的核心關鍵技術，包括總體設計、裝配技術和關鍵部件的設計制造技術等。整機的技術路線將主要是歐洲國家流行的變槳變速雙饋異步發電機和低速永磁同步發電機。目前國內生產最廣泛的是齒輪箱風機，屬於歐洲2000年左右開發的風機。雖然有少數企業初步掌握了直驅永磁技術，但並沒有在整個產業鏈上推廣。從長遠利益來看，直驅永磁風力發電機轉換效率高，維護少，調速範圍大，取消了笨重的增速齒輪箱。發電機軸與風力發電機軸直接相連，轉子轉速隨風速變化，其交流電的頻率也隨之變化。通過放置在地面上的大功率電力電子變換器，將頻率不確定的交流電轉換成直流電，再轉換成與電網同頻的交流電，這是未來風力發電技術的發展方向。
隨著煤炭、石油、天然氣等常規能源的枯竭，環境的惡化，全球變暖，低碳理念的根深蒂固，風能正以破竹之勢發展。未來幾十年甚至上百年，中國要提高風能利用技術，著力培養創新人才，加快風能發展，讓“大風車”帶給我們更多的希望和驚喜！