1.3　風力發電歷史過程

美國紐約和德國柏林分別于1882年和1884年建立了第一批總裝機容量約為500kW的電站。在20世紀初，幾乎所有的大型城市和工業化國家都開始大規模地使用電力。

人類利用風能發電是在城市早已實現了電力供應，而在農村仍沒有電力覆蓋的工業背景下開始的。當時，歐洲風車和美國風車依然盛行，人們嘗試利用原本用來泵水的風車來發電。第一個系統地嘗試利用風能來發電的工程師是丹麥工程師Poul La Cour。

1.3.1　Poul La Cour直流風力機

Poul La Cour在丹麥政府的支持下，為解決丹麥農村供電難題，開始研究風能發電。他是第一個基于科學理論對傳統風車進行完善的研究者，是利用風能生產電力的先驅，這也標志著歷史風車向現代風力機的轉變。

Poul La Cour發明的風力機如圖1-15所示。風力機采用水平軸布置，有四個葉片，通過一個長軸以及齒輪箱來帶動置于地面的發電機，產生直流電流，電流通過蓄電池供離網用戶使用。此風力機已經初具現代風力機的規模。Poul La Cour還采用電解制氫來存儲風能，然后再利用氫氣燈來為校園照明。

Poul La Cour是第一個采用風洞試驗檢測風力機性能的科學家。Lykkegard公司對Poul La Cour直流風力機的工業生產是風力機成功的標志。到1908年已經有72臺Poul La Cour直流風力機用于農村電力供應。在第一次世界大戰期間，由于化石燃料價格的上漲，促使Poul La Cour直流風力機應用更加廣泛，到1918年共有120臺風力機在運行。Poul La Cour直流風力機成功的另一個歷史背景是，當時丹麥農村在二次大戰以后仍然使用直流電，風力機與產生直流電的柴油機或燃氣輪機并聯應用，比與產生交流電的發電設備并聯應用在技術上更加容易實現。

據記載，Poul La Cour直流風力機的風能利用系數不高，僅為0.22，在好的風場其年發電量可以達到5萬kW·h。德國風能工作組對Poul La Cour風力機深入研究，發現該風力機可靠性極強。在1924—1943年的運行報告顯示，齒輪箱和軸承的使用壽命為20年，運行20年后必須更換。

Poul La Cour風力機在第一次世界大戰后，由于化石燃料價格便宜而受到冷落。但在二次大戰爆發后，再一次受到人們的關注。許多已經停運多年的風力機再次開始運轉，更多的風力機開始被制造。

1.3.2　Smidth風輪

與Smidth風輪相比，Poul La Cour的四葉片風輪設計理念有些落后。Smidth公司生產的風輪以“發動機（Aeromotor）”命名。第一臺Smidth風輪設計額定功率為50kW，風輪旋轉直徑為17.5m，設計風速為11m/s，采用兩片木質結構的葉片，葉尖速比為9，葉片無扭角定槳設計，采用空氣動力制動裝置控制速度，有的風力機塔架采用桁架結構，如圖1-16所示。大部分采用混凝土塔式結構，如圖1-17所示。

隨后，Smidth設計了輸出功率更大的三葉片風力機，如圖1-18所示。主要規格為：上風式風輪，三個固定扭曲葉片，NACA4312翼型，葉片有效長度9m，轉速30r/min，在10m/s額定風速時額定功率為70kW，旋轉直徑為24m，安裝角在接近輪轂處為16°，葉尖處為3°，起始風速5m/s，停機風速20m/s，設計葉尖速比為5，異步發電機200kW，8極；轉差率滿載時為1%，增速比k＝25，塔架為混凝土塔式結構，塔高24m。為了減小輪轂的彎曲應力，葉片用支撐架連接。葉片采用了傳統風車技術的木架鋼梁結構，木架上覆蓋鋁合金蒙皮。

異步發電機使轉速保持恒定。在與電網解列發生飛車的情況下，調速器控制的伺服電機使葉尖處的擾流器轉90°，起動氣動剎車。

從結構和形狀可以看出，Smidth風力機與現代風力機更加相近，只是美觀性較差一些。

1.3.3　德國大型風力機

在第一次世界大戰之前，德國開始嘗試風能發電。20世紀30年代，在美國的許可下，生產了3600臺美國風車，主要用于提水，少量風車經改裝后用于發電。

在第一次世界大戰之后，德國人Kurt Bilau基于更加先進的技術理念去發展風力發電技術。他已經認識到美國低速風車不具有最佳性能，開始嘗試具有更高葉尖速比的四葉片Ventimotor風力機。

在航空機翼空氣動力學背景下，物理學家Albert Betz對風力機的物理和氣動性能進行了計算，得出風力機最大風能轉化效率為59.3%，這一理論直到現在依然被證明是正確的。此外，空氣動力學理論和葉片的輕型設計在20世紀迅速發展，為現代大型風力機的發展奠定了基礎。

鋼鐵結構工程師Hermann　Honnef構想了一個巨型風力機。設想一個巨型塔架支撐五個風輪，每個風輪直徑為160m，額定輸出功率為2萬kW，如圖1-19所示。在極端風速下，在桁架塔頂部的驅動件使風輪傾斜，最后處于水平位置。此風力機設計基于數學和工程原理，實現面臨著許多問題。

在1930—1940年期間，由于德國本土燃料和電力的缺乏，于1939年成立了RAW風能研究組織，匯聚了許多科學家、技術人員和工業企業等。RAW組織資助了很多風電項目，其中一項為1937年由工程師Franz Kleinhenz發布的巨型風力機計劃，結構如圖1-20所示。該風力機的結構參數為：風輪直徑130m，三或四個葉片；額定功率10000kW，葉尖速比為5，風輪為順風式，輪轂高度為250m，電機的直徑為28.5m。直到1942年，該項目還處于積極的籌備之中，但在世界大戰爆發后，該項目實施計劃破滅。

德國在20世紀30年代主要忙于風力機理論研究和大的風電規劃，直到1931年，才在USSR建立了第一臺WIME D-30型大型風力機，如圖1-21所示。WIME D-30型風力機的主要參數為：三葉片風輪，桁架式塔身，旋轉直徑30m，額定功率100kW，額定風速10.5m/s，額定轉速為30r/min，葉尖速比為4.5。葉片采用變槳距控制，依靠一個圓形軌道對風力機進行偏航。此風力機在1931—1942年間運行良好，生產的電力并入小型電網。此風力機良好的運行實踐經驗，增強了建造5000kW大型風力機的信心，但這些計劃都因其后的二次世界大戰而終止。

1.3.4　美國的第一臺大型風力機

Palmer C.Putnam是美國第一位享有實現風電并網發電美譽的科學家，與馬薩諸塞州一些著名科學家和技術人員合作開發出第一臺大型風力機。

1941年10月，第一臺大型風力機在佛蒙特州的小山頂上安裝，如圖1-22所示。該風力機主要參數為：風輪直徑為53.3m；額定輸出功率為1250kW；塔高為35.6m，重75t；葉片采用不銹鋼制作，無扭曲；兩個葉片采用拍向鉸鏈連接，以減少強風下葉片的風載荷，風輪軸與葉片軸之間的角度隨風速和轉速變化；翼型為NACA4418，恒定弦長3.7m，葉片有效長度為20m，每個葉片重量為6.9t；額定風速13.5m/s，額定轉速29r/min；仰角為12.5°，錐角可變6°～20°；增速比k＝20.6；風力機速度和功率輸出控制采用葉片液壓系統實現，采用1250kW同步發電機。風輪能夠承受62m/s的風速。此風力機運行了四年，直到1945年3月26日，因一片葉片在運行中折斷而終止。后期，由于缺少維修資金而被拆除。