第二版 前言
太阳的辐射总能量约3.75×1026W(3750万万万亿千瓦),它不断向宇宙空间传播,其中20亿分之一的能量到达地球的大气层。经大气层反射、吸收,最后有8×1013千瓦(80万亿千瓦)太阳能到达地球表面。到达地球表面的太阳辐射能量约有2%转化为风能。估计全球风能总量约2.74×109MW(2.74万亿千瓦),其中可利用的风能为2×107MW(200亿千瓦),比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。按目前太阳质量消耗率计,太阳能可供地球用6×1010(600亿)年。可见,太阳能和风能可以说是取之不尽、用之不竭的能量。
我国风能资源丰富,总储量为32亿千瓦。陆地上可开发利用的风能资源为2.53亿千瓦,加上近海的风能资源,全国可开发利用的总风能资源约10亿千瓦以上,居世界首位。
风力机是将风能转换为机械能的一种动力机械,广义地说,风力机是以太阳为热源、以大气为工质的热能转换的叶片式发动机。风车就是最早的一种风力机械,最早出现在波斯。
人类利用风能的历史可以追溯到公元前。公元前2世纪,古波斯人就利用垂直轴风车碾米。公元前数世纪,中国人就开始利用风力来提水灌溉、磨面、舂米,用风帆推动船舶等。欧洲第一台风力机出现在公元1100年左右,用于磨面和抽水。18世纪末期,随着工业技术的发展,风车的结构和性能都有了很大提高,已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。
风力机用于发电的设想最早始于19世纪末。1887年,美国人Brush建造了第一台发电用风力机,可为350盏白炽灯和3个发动机提供电力。到1918年,丹麦已拥有风力发电机120台,额定功率为5~25kW不等。
第一次世界大战后,飞机螺旋桨技术和近代气体动力学理论为风轮叶片的设计创造了条件,出现了现代高速风力机。第二次世界大战前后,欧洲国家和美国相继建造了一批大型的风力发电机。1941年,美国建造了一台双叶片、风轮直径达53.3m的风力发电机,风速为13.4m/s时,输出功率达1250kW。
1957年,Juul建造的风力机已初具现代风力机雏形,风力机由1个发电机和3个旋转叶片组成。
20世纪80年代,美国成功开发了100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW6种风力发电机组。
目前世界最知名的风力机设备制造商有:丹麦Vestas风力系统公司、美国GE风能公司、德国Enercon公司、西班牙Gamesa公司、德国Siemens公司、印度Suzlon公司、丹麦Bonus公司、德国Repower公司、德国Nordex公司、日本MHI公司、西班牙Made公司、丹麦NEG Micon公司等。
本书共分8章,第1章是有关风与风能的基本知识;第2~3章是风力发电技术;第4~5章专门讲风轮机的工程设计方法和数值计算;第6章分析典型大型风力机的设计技术,可供风力机设计参考;第7章介绍了风力机的发电系统,重点是系统,介绍它们与化石燃料汽轮机发电系统的不同;第8章简要介绍了几种特殊用途的风力机,例如海上风力机、低温地区风力机、高原地区风力机和免齿轮箱直接驱动式风力机等。它们与一般风力机大同小异,只是根据使用地点环境不同,加入一些特殊措施。本章就是在分析这些不同点的基础上着重介绍这些措施。
风轮机的优化设计和设计风速的确定问题放在第4章。抛砖引玉,希望得到专家们的指正。一些有关风力机的基础资料,例如风力等级、风力机技术国家标准等放在附录,供大家参考。
本书自2007年1月出版以来,承蒙广大读者的厚爱,很快销售一空,五次印刷还不能满足读者的要求。我国台湾出版商和读者也深感兴趣,买去了版权,已在中国台湾地区出版发行。本书修订版章节和内容都做了大的改动,将以最新的面目与读者见面,帮助读者对风力发电和风力机设计的最新技术有较全面地认识。
东方汽轮机厂是目前国内最大的风力机制造商之一,已完成1500kW风力机引进批量生产和投运,以及1000kW、2000kW、2500kW、5000kW等风力机设计,1000kW已经树起样机,2500kW风力机正在试制。2008年产出813台1500kW风力机,2009年产出1500kW风力机1400台。2008年东汽的风力机产量位居全国前三。
本书的再版又查阅了大量参考文献,订正更新了与时间相关的数据资料,并增加了许多最新资料。在此再次对文献作者致谢!
再次感谢帮助过本书编著的同事、朋友们,没有他们的帮助也就没有本书。
编著者
2010年1月15日