风力机可用来提水、供暖、制冷、造纸、发电等。可分为水平轴和垂直轴两大类。传统认为旋转轴与水平面平行的风力机是水平轴风力机,旋转轴与水平面垂直的风力机是垂直轴风力机。
典型的水平轴风力机有:①螺旋桨式风力机,在风力发电行业使用最多。风能利用效率高,通常是双叶片和三叶片形式的风力机。②多翼式风力机。可用来提水,是典型的低转速大扭矩风力机。此外还有涡轮式风力机、多风轮式风力机等。
典型的垂直轴风力机有:①萨布纽斯式风力机。又称S型风力机。是一种阻力型风力机。通常由两枚半圆筒形的叶片构成,也有用三枚或四枚的。这种风力机的风能利用率低,但能产生较大的扭矩。②达里厄型风力机。通常是Φ形、Y形、H形或Δ形等,是一种升力型风力机。它结构简单,成本较低,风能利用率较高,但启动性能差。另外还有弗来纳式风力机、费特·肖奈达式风力机等。
中国有文字记载的风车始于汉朝,在中国辽阳出土的东汉墓壁画上,出现了许多风车图形,至今已有2000多年的历史了。直到20世纪70年代,中国农村还有不少地方利用这类简易的风车进行提水灌溉、磨面制粉、截锯木材等。
公元前650年左右,古希腊人发明了风车,他们用砖砌成如高塔一般的建筑物,前后各开一个通风口,塔中立有一根巨大的转轴,轴上装有用芦苇编织成的风叶。当风从一个通风口流入塔内,便带动风叶使得转轴旋转,将水从井下提上来,风再从另一个通风口流出。直到今天,在希腊的不少地方仍然可以看到许多样式各异的风车。
公元前2世纪,古波斯人就利用垂直轴风车碾米。公元7世纪的西亚,大概在叙利亚,建造了第一批垂直轴风车。公元10世纪,伊斯兰人用风车提水。公元11世纪,风车在中东已得到广泛应用。公元12世纪,风车从中东传入欧洲。据说是在巴勒斯坦参加了十字军东征的士兵们回家时带回了关于风车的信息。不过,西方风车的设计与叙利亚风车迥然不同,典型的地中海风车有圆形石塔和垂直翼板。公元14世纪,风车已成为欧洲不可缺少的原动机。到了公元16世纪,荷兰人利用风车排水、与海争地,其风车的功率已达50马力。如今,荷兰人将风车视为国宝,北欧国家保留的大量荷兰式大风车已成为人类文明史的见证。
第一次工业革命前,风车作为最主要的动力机械,在世界各国得到了极其广泛的应用。图1是复原的古代水平轴风车,图2是复原的古代垂直轴风车。
图1 古代水平轴风车
图2 古代垂直轴风车
随着工业化时代的到来,风车开始被称为风力机。19世纪末,丹麦人首先研制出风力发电机。1891年,丹麦建成了世界第一座风力发电站。1931年,苏联建造了一座100千瓦容量的风力发电机,这是最早商业化的风力发电机。进入20世纪后,欧美等国的风力机设计与制造水平及风能利用规模都达到了前所未有的高度。
21世纪以来,随着材料科学、空气动力学与结构动力学等学科的发展,风力机正向着大型化方向发展,风力机容量从数百千瓦级,发展到兆瓦级,再到10兆瓦以上级,风能利用效率接已近49%。