从传统风车到现代风力涡轮机用风能塑造未来

从传统风车到现代风力涡轮机用风能塑造未来

　　风能利用科普实验,利用风能飞行,中国风能的利用随着风的吹动，风车和风力涡轮机的叶片在欢快的转动。实际上，这些巨大的带叶片的机器已经有1000多年的历史了，第一批风车大约在公元800年出现在波斯。

　　这些早期的风车正如它们的名字所揭示的那样：它们是由风驱动的。风使风车的叶片旋转，带动中心轴旋转，然后驱动谷物磨机旋转，谷物磨机通常是由又大又平的石头制成，用来生产面粉和其他谷物产品。这些风车还有另一个重要的作用：把水抽到城市和家庭。风车的旋转可以用来驱动水泵，而不是旋转谷物磨粉机。

　　虽然风车已经存在很久了，但风力涡轮机大约是在1888年才出现的，当时美国已知的第一台用于发电的风力涡轮机是由发明家查尔斯·布鲁什（Charles Brush）建造的，目的是为他在俄亥俄州的豪宅发电。风力涡轮机被用来从叶片的旋转中发电，而不是简单地将旋转的能量转化为更多的机械性工作，如转动磨坊或抽水。

　　风力涡轮机专业人士告诉我们：“现代的风力涡轮机高约280英尺（85米），而老式风车通常不会超过80英尺（24米）。而且，风帆或叶片的尺寸是另一个很大的差异。传统上，风车是通过轮径来测量的，通常会看到8英尺（2米）的风车，其中整个叶片的长度为8英尺。而风力涡轮机的单个叶片可以超过100英尺（30米）。”

　　虽然风车是人类文明中最古老、最重要的机器之一，通常被用来抽水或碾磨谷物，但它们与现代更为先进的风力涡轮机技术在功能上确实有一些不同。

　　风车的叶片靠近地面，因此必须利用地面附近的气流旋转。 由于通常在地表附近的风流要比在较高的大气层中的风流少，因此，风车必须具有更大的叶片以捕获尽可能多的风。

　　风车早在公元前800年左右就出现了，但在19世纪中期才线年之后的几十年里，在工业革命的推动下，仅在美国就安装了600多万台机械风车，为水泵和工厂提供动力，并满足其他能源需求。

　　风车作为机械能发生器的简单性推动了这种普及。 通过简单地将装有许多叶片的风车安装起来，你就可以迅速获得自由的机械能源。 通过叶片的旋转，旋转能量可以用于通过齿轮传动来驱动机器，或者可以通过简单的抽油杆泵从地面推拉水。

　　发电机不仅可以在刮风时利用风车，还可以通过将旋转能量转化为电能来储存旋转能量。因此，风力涡轮机的开发是完善风能利用装置的下一步。

　　为了捕捉更强的气流，风力涡轮机会比风车高出数百英尺。它使用与风车相同的功能原理（将风转化为旋转能量），但它接下来要做的事是不同的。风力涡轮机内部有发电机，通常直接连接到旋转叶片杆上。通过旋转发电机产生电流，既可以用来给电池充电，也给电网供电，或者直接运行电子设备。理解这一原理的最好方法就是去观察一台电动机，与发电机正相反，电动机用电产生运动，而风力涡轮机用运动产生电能。

　　更具体地说，风力涡轮机的叶片捕捉风能的动能，并将其转化为旋转能量。这种旋转能量通过一系列齿轮供给，以提高发电机的运转速度。

　　根据美国风能协会（American Wind Energy Association）的说法，这些涡轮机通常会在每小时5至10英里（8至16公里）的风速下开始发电，并在接近60英里/小时（96公里/小时）的高风速下关闭，这样它们就不会出现故障或损坏自身。

　　虽然风力涡轮机确实能发电，但从技术上讲，它们的效率不如风车。风力涡轮机的最高效率为59%，也就是所谓的贝茨极限。这是由于无法利用所有的风能，而且在将旋转能转化为机械能方面效率低下。

　　尽管风力涡轮机效率不高，但它仍然是未来风能利用和发电的主要方式。科学家们认为，风力涡轮机是减少并最终消除我们对碳燃料依赖的一个组成部分。一个典型的风力发电项目在6个月内就可以偿还其碳足迹，并提供数十年的零排放能源。事实上，很多国家已经在风能方面投入了足够的资金。

　　截止2018年，风能发电量约占全球发电量的5%，成为仅次于水电的第二大可再生能源。从风车第一次被用作早期波斯和中国文明的机械支柱，到今天的大型风力涡轮机，其基础技术将继续存在并延续至未来。