全球風能資源與風力發(fā)電技術(shù)進展

全球風能資源與風力發(fā)電技術(shù)進展

1地形地貌對風的影響風是日常生活中最常見的自然現(xiàn)象。浪漫是文學中常見的自然現(xiàn)象。浪漫是哈爾馮朗德。風在一年四季中無時無刻不和我們相伴,春季里春風和煦,夏日里熏風炙人,秋季里秋風蕭瑟,冬日里寒風凜冽。人們雖看不見風,但卻隨時感到其存在。風是具有能量的,平日里,微風就能帶動玩具風車飛速旋轉(zhuǎn),在狂風怒號的臺風季節(jié)中,風災(zāi)造成的破壞更使人感到風的威力。據(jù)估算,海洋中一個直徑為800km的臺風,其具備的能量相當于50萬顆1945年在廣島爆炸的原子彈的能量。風所具備的能量簡稱為風能。雖然風是最熟悉的自然現(xiàn)象,但其形成過程是相當復(fù)雜的,受到一系列因素的影響。要了解風的形成必須先研究包圍著地球的一層稱為大氣層的空氣的運動。空氣的流動和水流一樣是從壓力高處往壓力低處運動?？諝饬鲃泳托纬娠L。造成空氣壓力差和流動的根本原因就在于太陽能。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在一個66.5°的夾角,因而太陽的照射角對地球上各處是不同的,即使對同一地點,照射角每天也是變化的。地球南北極接受太陽光照最少,溫度低,空氣密度大,氣壓高。地球赤道地區(qū)受到的太陽光照最多,吸收的太陽能要比兩極地區(qū)多得多,因而溫度高,空氣密度小,氣壓低。這樣一來,較重的冷空氣就由兩極沿地面下沉移向赤道,而較輕的熱空氣則在赤道附近上升移向兩極,去填補下沉的冷空氣。此后,進入赤道地區(qū)的冷空氣又被加熱上升,流入兩極地區(qū)的熱空氣又受冷下沉。這樣周而復(fù)始,形成半球形的空氣環(huán)流,即為風。地球自西向東的自轉(zhuǎn)對空氣的流動也會產(chǎn)生影響。由于赤道處上升的氣流獲得的地球自轉(zhuǎn)引起的慣性旋轉(zhuǎn)速度比從極地下沉的氣流獲得的大。因此在北半球,向北運動的空氣流動方向偏東,由于這種風是從西邊吹來的,因而稱為偏西風。自北極向南運動的空氣偏向西,稱為極東風。在北半球,空氣在北緯30°區(qū)域積累較多,造成這一帶區(qū)域的高壓帶和溫和氣候,稱為副熱帶高壓帶。一部分空氣由此向南運動,方向偏西,稱為季風。南半球也會產(chǎn)生類似的風的情況。圖1示不考慮地形差異時地球上風的運動方向。地球各處的地形地貌也會影響風的形成。以山谷為例,白天陽光照射使山上空氣溫度升高并向上升騰,山谷中的冷空氣密度小,壓力大,于是就沿山坡上升,形成谷風。在晚上,山上的熱量迅速向高空散發(fā),山坡附近的空氣溫度降低,密度增大,沿山坡下移,形成山風。在海洋與海岸陸地之間,由于海水熱容大,陸地的熱容小,因而在白天太陽照射下,海水溫度比陸地的低。于是陸地上溫度較高的空氣上升,而海面上較冷的空氣就流向陸地進行補充,形成了海陸風或稱向岸風。相反,在夜晚海水降溫比陸地慢,于是海面上溫度較高的空氣上升而陸地上相對較冷的空氣就流向海面,形成陸海風。風的形成除與上述的各地區(qū)的太陽照射角、地球自轉(zhuǎn)、地區(qū)的地形地貌等有關(guān)外,還具有隨機性、隨季節(jié)變化和隨高度變化等特性。描述風力的兩個最重要物理參數(shù)為風速和風向。風速表示風的移動速度,即單位時間內(nèi)空氣流過的距離,風向是指風吹來的方向。氣象學和動力學中研究的主要為水平方向的風。如果用測速計測量某點的風速就會發(fā)現(xiàn)風速是隨時間不斷隨機變化的。因而通常所說的風速是指一段時間中各變化風速的平均值,即平均風速。此外,風向也具有隨機特點,是時刻在變化的。風向可用風向桿測出并得出當?shù)氐闹鲗эL向。由于地球自轉(zhuǎn)軸與繞太陽公轉(zhuǎn)軸之間存在偏角,使各地區(qū)受到太陽輻射強度會隨時間而發(fā)生季節(jié)性變化,從而使各地區(qū)的風向和風速均會發(fā)生季節(jié)性變化。在我國山東半島、遼東半島的風力春季最大,冬季次之;臺灣及南海諸島的風力秋季最大,冬季次之;西北、東北及華北等內(nèi)陸地區(qū),春季風力最大、冬季次之,夏季最小。在距地面2000m以內(nèi)的大氣摩擦層中,空氣的流動和風力大小還受到地面摩擦力的影響。地面摩擦力、地表植物、建筑物等都能阻礙空氣流動和減小風速。因而風速隨離地面的高度增高而增大。在同一高度上,風速也因地面建筑物和地表植物等阻礙物的減少而增大。人們可以感覺到,高度相同時,在高樓林立的城市中風速最小,城市近郊或村莊風速較大而在平地或海岸線地帶風速最大。由此可見風的成因的復(fù)雜性,所以人們常說天有不測風云。2理論風能儲量的確定風能指的是作水平方向流動的空氣所具有的動能。如果以ρ表示流動空氣的密度,v表示空氣的速度,則每平方米面積上流過的空氣動能就為,簡稱為風能密度單位為W/m2。風能密度是估算風能儲量的一個重要參數(shù)。風能計算時所用的空氣密度與氣壓、溫度、高度等因素有關(guān)。一般計算時,在海拔高度過500m以下,采用常溫標準大氣壓下時的空氣密度,可取為1.225kg/m3。在海拔高度高過500m時,必須考慮空氣密度的變化。風能計算式中的空氣速度是隨高度和時間變化的。在估算風能儲量時,一般計算離地10m高度層的風能儲量。因而風能儲量并非指整個大氣層或近地層內(nèi)的風能儲量。由于風速隨時變化,所以應(yīng)先測定一個地區(qū)一年內(nèi)(或多年)各種風速的吹風時間數(shù),計算出該地區(qū)的年平均風能密度。再根據(jù)該地區(qū)的面積、風能轉(zhuǎn)換裝置的風輪掃掠面積和技術(shù)要求算出該地區(qū)可裝設(shè)的風能轉(zhuǎn)換裝置的總臺數(shù)和總的風輪掃掠面積。然后乘以該地區(qū)的平均風能密度就可算出該地區(qū)的風能儲量。我國按此法得出的陸上理論風能儲量為32.26億kW。實際陸上可開發(fā)利用的風能儲量為2.53億kW,海上可開發(fā)利用的風能儲量為7.5億kW左右,兩者總和超過10億kW,約為我國水能可開發(fā)總量4.02億kW的2.5倍。據(jù)估算,全球可開發(fā)利用的風能儲量達200億kW,比全球可開發(fā)利用的水能總量大10倍。風能儲量巨大且是一種清潔的,取之不盡用之不竭的可持續(xù)利用的再生能源,因而在當前化石能源面臨枯竭和生態(tài)環(huán)境嚴重污染的情況下,已成為全球能源開發(fā)利用的一大熱點。3風力發(fā)電機系統(tǒng)風力發(fā)電依靠風力機將風能轉(zhuǎn)換為電能。圖2為一臺水平風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中,風力機的風輪由三個用玻璃鋼或尼龍等制成的葉片構(gòu)成。風力吹動風輪旋轉(zhuǎn),并通過變速齒輪箱將風力機軸上的低速旋轉(zhuǎn)(約為18～33r/min)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機所需的高轉(zhuǎn)速(800r/min或1500r/min),傳給發(fā)電機軸使之旋轉(zhuǎn)發(fā)電。當風力發(fā)電機的風輪正對風向時,風輪得到的風能最大。為了保證風輪隨時都迎著風向,在風力發(fā)電機中設(shè)有偏航系統(tǒng)。當裝在機艙頂部的風向標測得風輪不正對風向時,會發(fā)出偏航指令,通過偏航系統(tǒng)使機艙和風輪繞塔架的垂直軸轉(zhuǎn)動,以達到對準風向的目的。風輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的輸出功率是隨風速增大而提高的。風速太大會使風輪轉(zhuǎn)速過快和發(fā)電機超負荷運行,這些均會使風力發(fā)電機發(fā)生運行事故。為了保證風力發(fā)電機的安全運行,風力發(fā)電機中都設(shè)有限速安全裝置以調(diào)節(jié)風力發(fā)電機風輪的轉(zhuǎn)速,使之在一定風速范圍內(nèi)保持基本不變,以便風力發(fā)電機能在不同風況下穩(wěn)定運行。風輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法主要有兩類,一類是風輪葉片槳距固定型,另一類是風輪葉片槳距變動型。固定槳距型的調(diào)速方法為,當風速增大時,通過各種機構(gòu)使風輪繞垂直軸回轉(zhuǎn),以偏離風向,減少迎風面和受到的風力以達到調(diào)速的目的。變槳距型的調(diào)速方法為,當風速變化時,通過一套槳葉角度調(diào)整裝置轉(zhuǎn)動槳葉,改變?nèi)~片與風力的作用角度,使風輪承受的風力發(fā)生變化,以此來達到調(diào)速的目的。這兩種調(diào)速方法中,前者結(jié)構(gòu)相對較為簡單,但機組結(jié)構(gòu)受力較大,后者增加了槳葉角度調(diào)整裝置,增加了造價但可使機組在高于額定風速情況下仍保持穩(wěn)定的功率輸出,提高發(fā)電量。因此中、小型風力發(fā)電機組較少采用變槳距調(diào)速方法,而大型風力發(fā)電機組大多采用變槳距調(diào)速方法。除限速裝置外,風力發(fā)電機還裝有制動器。當風速太高時,制動器可以使風輪停轉(zhuǎn),以保證風力發(fā)電機在特大風速時的安全。水平軸風力發(fā)電機設(shè)計理論表明,在一定的風力機轉(zhuǎn)速與風速的比值下,風力發(fā)電機的風輪對風能的轉(zhuǎn)換效率最高。對于常用的轉(zhuǎn)速不變的恒轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機而言,在風速變化時就無法保持最佳的風力機轉(zhuǎn)速與風速的比值,因而其風能轉(zhuǎn)換效率就不能經(jīng)常保持在最佳值。但恒轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機可以輸出恒定頻率的交流電,便于與電網(wǎng)連接。隨后研制的變轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機可以在不同風速下均保持最佳的轉(zhuǎn)速與風速的比值,因而風能轉(zhuǎn)換效率高,一般比恒轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機可增加約10%的發(fā)電量。但其輸出電流的頻率不穩(wěn)定,必須通過增設(shè)的變頻裝置才能實現(xiàn)輸出恒頻的交流電以便與電網(wǎng)連接?，F(xiàn)在單機功率超過1MW的大型風力發(fā)電機組大多采用變轉(zhuǎn)速運行方式。風力發(fā)電機組中的塔架將風輪和機艙置于空中以獲得更多的風能。塔架有兩種主要結(jié)構(gòu),一種為由鋼板制成的錐形筒狀塔架,另一種為由角鋼制成的桁架式塔架,兩者均設(shè)有梯子和安全索以便于維修人員進入機艙。大中型風力發(fā)電機組均配有由微機和控制軟件組成的控制系統(tǒng),可以對機組的啟動、停機、調(diào)速、故障保護進行自動控制,可以對機組的運行參數(shù)和工作狀況自動顯示和紀錄,以確保機組的安全經(jīng)濟運行。風力發(fā)電機組根據(jù)其運行方式可分為離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)。前者獨立運行,主要用于邊遠農(nóng)村、牧區(qū)、海島等遠離電網(wǎng)的地區(qū),機組功率較小(一般為5kW以下)。在這種系統(tǒng)中,風力交流發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)整流器整流后輸入蓄電池蓄能,再供直流負荷使用。如用戶需要交流電,則應(yīng)在蓄電池與用戶之間加裝逆變器后再輸給用戶。在無風期間,可由蓄電池供電。風力發(fā)電機組也可和柴油發(fā)電機組或太陽光發(fā)電系統(tǒng)組成一個互補型的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。在風力發(fā)電機不能輸出足夠電力時,另一個系統(tǒng)可提供備用的電力。風力發(fā)電機采用并網(wǎng)運行方式指的是將風力發(fā)電機組與電網(wǎng)連接并將輸出的電力并入電網(wǎng)。對于恒速恒頻的常用風力發(fā)電機組已普遍采用。對于變速風力發(fā)電機組則需增設(shè)變頻裝置等使輸出電流達到恒頻后再并網(wǎng)運行。風力發(fā)電始于丹麥,其政府在1890年就制定了一項風力發(fā)電計劃,隨后建成了世界首座風力發(fā)電站。到1918年已具有72臺單機功率為5～25kW的風力發(fā)電機組。1931年,前蘇聯(lián)成功地制造了一臺30kW的水平軸風力發(fā)電機組。當時是全球功率最大的一臺。1941年美國試制了一臺功率為1250kW的風力發(fā)電機組,但限于當時的技術(shù)水平,運行不穩(wěn)定,經(jīng)濟性低下,運行近4年后因大風吹斷葉片而停止運轉(zhuǎn)。第二次世界大戰(zhàn)后,經(jīng)濟復(fù)蘇,能源不足,促使一些工業(yè)發(fā)達國家去研制中型及大型風力發(fā)電機組。丹麥研制了45kW和200kW等風力發(fā)電機,投運后并入電網(wǎng)。德國在1955年制成了100kW風力發(fā)電機。法國繼1950年制成130kW風力發(fā)電機后,又在1958年制成800kW風力發(fā)電機。但是在廉價石油和礦物燃料發(fā)電機組的沖擊下,這些試驗性風力發(fā)電機組均中止了運行。1973年西方發(fā)生石油危機并隨著全球環(huán)境的惡化,風力發(fā)電又重新受到重視。各國都加緊了對風力發(fā)電機組的研究和開發(fā)。在20世紀80年代,單機容量為100kW以上的水平軸風力發(fā)電機組的研制在歐美發(fā)展迅速。1987年美國研制成單機容量為3.2MW的水平軸風力發(fā)電機組。丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國也均研制了100kW以上的風力發(fā)電機組。同時,為了解決風力發(fā)電機輸出電能的不穩(wěn)定性和容量不大的問題,采用了在同一場地裝設(shè)大量臺數(shù)的風力發(fā)電機并聯(lián)合向電網(wǎng)供電的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)稱之為風電場。當前各國均在廣泛建立大型風電場。除建設(shè)陸上風電場外,還在建設(shè)海上風電場,以期獲得更為豐富和強大的海上風能。當前世界超大容量的水平軸風力發(fā)電機組之一為德國研制的5MW風力發(fā)電機(圖3)。一個擁有200臺這種風力發(fā)電機組的風電場,其發(fā)電總量就可與一個100萬kW的大型常規(guī)燃煤發(fā)電站的發(fā)電量相當。由于風能是清潔能源,因而前者比之后者,每年可少排煙塵(粉塵、Co等)100萬噸,造成酸雨的二氧化硫6萬噸,強致癌物苯并芘630kg和大量造成溫室效應(yīng)的氣體CO2。其環(huán)保和經(jīng)濟效益十分顯著。圖3為超大型5MW三葉片風力發(fā)電機,其風輪直徑為125m,風輪面積達12000m2,相當于兩個足球場的面積。風輪和機艙重達數(shù)百噸,置于高120m的塔架上。僅此一臺機組的發(fā)電量就可供6000戶家庭用電。風力發(fā)電機的類型除采用水平軸風力機外,還有采用垂直軸風力機的。垂直軸風力機的風輪轉(zhuǎn)軸與地面垂直。這種風力機類型眾多,但最具代表性的為法國工程師Darrieus發(fā)明的風力機(圖4)。這種風力機的風輪由2～4片跳繩曲線型葉片組成。其優(yōu)點為不受風向影響,可利用任意方向吹來的風力,所以不需對風裝置,發(fā)電機和變速齒輪箱可置地上,結(jié)構(gòu)簡單,造價較低,便于維護。其缺點為存在近地面的風輪部分,因近地面風力較小,所以風能轉(zhuǎn)換效率低。此處,還存在啟動、停車葉片制造和運輸安裝不便等問題,因此,目前風力發(fā)電機組98%采用水平軸風力機,垂直軸風力機已很少用。1987年加拿大曾研制了一臺這種類型的大型垂直軸風力發(fā)電機,容量為4.2MW,直徑達100m,現(xiàn)也已停用。風電不會釋放二氧化碳,不會造成酸雨和污染大氣、陸地和水源,因而是替代燃用化石燃料的常規(guī)火力發(fā)電站的首選方法。同時也是大量減少二氧化碳排放量的經(jīng)濟而速效的措施。研究表明,風力發(fā)電能力每增加一倍,其成本就會下降15%。近年來,全球風電增長率一直保持在30%,因而風電成本快速下降,在國外已接近燃煤發(fā)電的成本。由于風電既清潔又經(jīng)濟,全球有50多個國家都在努力研究和發(fā)展風電。風力資源豐富的歐洲國家更在加大風電開發(fā)和研制力度。德國至2004年底,其風力發(fā)電量約為全國總發(fā)電量的6.2%,已計劃到2010年增加到12.5%,到2050年增加到50%。歐洲風能協(xié)會的報告表明,到2020年歐洲將有20%電力采用風力發(fā)電。目前丹麥風電已占其總電力的20%。該協(xié)會的另一份國際能源研究報告表明,到2020年,全球風力發(fā)電可提供全球電力需求的12%,可減少二氧化碳排放量100多億噸。此外,美國也計劃到2030年,風電將占其全部電力裝機容量的30%。隨著礦石燃料日漸枯竭和價格的上升,火力發(fā)電成本將逐漸增高,風電成本則隨著風電機組容量的增大和風電場規(guī)模的擴展將繼續(xù)下降。據(jù)聯(lián)合國對新能源和可再生能源的估計,到2020年,風力發(fā)電成本可降到3美分/千瓦時及以下。因而風電是近期及未來最具開發(fā)利用前景的可再生能源,其迅速發(fā)展是必然的趨勢。我國風力發(fā)電事業(yè)始于20世紀70年代,主要解決遠離電網(wǎng)的邊遠地區(qū)的農(nóng)村、牧區(qū)、海島等地對電能的迫切需求。因而著重研制開發(fā)100～1000W的獨立運行的離網(wǎng)型小型風力發(fā)電機組,取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。目前,離網(wǎng)型小型風力發(fā)電機組的生產(chǎn)能力和年產(chǎn)量均居世界首位,除滿足國內(nèi)用戶需求外,還出口國外。20世紀80年代開始研制中大型風力發(fā)電機組。我國一面將大型風力發(fā)電機組的研發(fā)列入國家科技攻關(guān)項目,組織國內(nèi)科技力量和企業(yè)聯(lián)合攻關(guān),另一面引進國外機組進行消化吸收,掌握大型風力發(fā)電機組制造技術(shù),并進行組裝或合作生產(chǎn)。在1985年至1995年期間,先后自行研制了120kW,200kW和300kW風力發(fā)電機組。在1995年至2003年間研制了600kW和750kW的固定槳距型風力發(fā)電機組,國產(chǎn)化率達到90%以上。為了配合國內(nèi)大型風力發(fā)電機組的產(chǎn)業(yè)化,我國還逐步形成了葉片、齒輪箱、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等零部件專業(yè)生產(chǎn)廠。2005年自行研制的1.0MW變速恒頻風力發(fā)電機組投運。2006年自行研制成功了功率為1.5MW的變槳距變速風力發(fā)電機組,標志著我國兆瓦級大型風電機組的自主創(chuàng)新能力已達到世界先進水平。這臺機組的國內(nèi)造價為750萬元左右,亦即千瓦機組成本只有5000元左右,這使風力發(fā)電機組的制造成本大為降低,已逐步接近常規(guī)火電造價4000元/千瓦的水平?，F(xiàn)在我國正在研制3MW的風力發(fā)電機組,可能在明年或后年就出成果。我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要(2004～2020)》中規(guī)定,到2010年并網(wǎng)風電裝機容量為500萬kW,到2020年為3000萬kW。因而到2020年,我國風電裝機容量將是2005年風電裝機總?cè)萘?26萬kW的24倍,增長十分迅速。我國風電場建設(shè)工作始于1983年,當時在山東榮城以3臺丹麥55kW風力發(fā)電機組作為并網(wǎng)型風力發(fā)電技術(shù)的示范試驗風電場后,到2005年底,全國已建成61個風電場,總裝機容量126萬kW。2007年底風電裝機總量已達400萬kW。預(yù)計到2010年風電場的總裝機容量將超過500萬kW,到2020年將超過3000萬kW。盡管風電在我國發(fā)展很快,但因起步較晚,即使到2020年,風電占全國發(fā)電量的比例仍只有3%左右。我國風能資源豐富,清潔環(huán)保,開發(fā)利用潛力很大。隨著其規(guī)?；l(fā)展、風電創(chuàng)新技術(shù)的進展、國產(chǎn)化率的進一步提高和礦石能源因日益枯竭而價格增高,風力發(fā)電的成本將低于常規(guī)火力發(fā)電的成本并因此而得到更大規(guī)模的迅猛發(fā)展。4其他用途風能除用于發(fā)電外,還廣泛應(yīng)用提水、灌溉、船舶助航、風力致熱等工程。4.1風力提水機的發(fā)展風力提水可用于農(nóng)田灌溉、人畜飲水、海水制鹽、水產(chǎn)養(yǎng)殖、草場改良或灘涂改造等工程的提水作業(yè),經(jīng)濟效益和社會效益顯著。我國早在1700多年前就已應(yīng)用風帆式風車提水。古代科學著作《物理小識》中就有“用風帆六幅車水灌田”的記載。10世紀伊斯蘭人用風車提水并在中東獲得廣泛應(yīng)用。12～14世紀風車在歐洲推廣應(yīng)用后,荷蘭將其用于萊茵河三角洲湖地及低濕地的提水并用于碾谷和榨油等作業(yè)。我國到20世紀50年代末,這種傳統(tǒng)的帆式風車提水機在江南和福建沿海地區(qū)仍在大量應(yīng)用,僅江蘇就有20多萬臺。美國中西部地區(qū)應(yīng)用的多葉式風力提水機在19世紀末曾多達數(shù)百萬臺。目前,美、英、荷蘭、丹麥等工業(yè)發(fā)達國家以及印度、墨西哥等發(fā)展中國家都在研發(fā)和應(yīng)用與本國國情相配的風力提水機。風力提水機總的工作原理為將風力機因風力而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸運動應(yīng)用傳動機構(gòu)使之轉(zhuǎn)換成垂直方向的上下運動或較快轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)運動,以此來傳動與之相連的活塞式水泵或旋轉(zhuǎn)式水泵。我國目前研發(fā)生產(chǎn)的風力提水機主要有兩種,一種為低揚程大流量風力提水機,用于提取地表水,其揚程一般為0.5～3.0m,流量為50～100m3/h,主要在南方各省及東南沿海地區(qū)使用。圖5示有其結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見,其風力機由風輪、機頭回轉(zhuǎn)體、傳動系統(tǒng)、尾翼、配重機構(gòu)和塔架等部件組成。風輪由十多片葉片構(gòu)成,以保證在低風速下也能轉(zhuǎn)動。機頭回轉(zhuǎn)體可保證風輪繞回轉(zhuǎn)中心線自由轉(zhuǎn)動以保持迎風位置。傳動系統(tǒng)由上、下兩個變速箱和傳動軸組成。上面的變速箱將風輪的水平軸旋轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪眰鲃虞S的旋轉(zhuǎn)運動。下面的變速箱再將垂直傳動軸的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)檩敵龅乃捷S旋轉(zhuǎn)運動并驅(qū)動水泵提水。與之配套的旋轉(zhuǎn)式提水機有龍骨水車、鋼管水車和螺旋泵、離心泵等。尾翼及調(diào)速機構(gòu)可保證風輪平時保持迎風位置,在風力過大時使風輪偏離風向某一角度或在八級大風時使風輪與尾翼并擾,達到停車狀態(tài)。另一種風力提水機為高揚程小流量風力提水機,用于提取深井地下水。其揚程一般為10～146m之間,流量為0.5～5m3/h,主要用于北方及草原牧區(qū)。這種提水機的風輪與前一種相似,但風輪的葉片數(shù)更多,一般為16～24片。其傳動箱的功能是將風輪的水平軸旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榕c傳動箱連接的垂直拉干的上、下往復(fù)運動。拉干下端與活塞泵的泵桿相連。這樣,風輪旋轉(zhuǎn)使拉桿帶動泵桿和活塞作上下往復(fù)運動進行提水。4.2風船的結(jié)構(gòu)和配套設(shè)施人類最早利用風能的方式為風帆助航,埃及是最先利用風能的國家。約在5000年前,埃及的風帆船已在尼羅河上航行。我國在3000年前的商朝出現(xiàn)了風帆船,到唐朝帆船已廣泛航運于江河。此后,隨著帆船制造技術(shù)的進步,科技的發(fā)展和航行經(jīng)驗的積累迎來了風帆助航的輝煌時期15世紀。15世紀是人類歷史上的大航海時期,在此期間,我國航海家鄭和七下西洋;哥倫布乘帆船發(fā)現(xiàn)了美洲新大陸。此后隨著蒸汽機和內(nèi)燃機的發(fā)明以及煤、石油等礦石能源的大規(guī)模開采和利用,帆船因動力小和速度慢而逐漸被淘汰。1973年西方發(fā)生石油危機后,隨著礦石燃料儲量的日益短缺和價格上升,風帆助航又重新受到了船舶設(shè)計制造界的重視。1980年日本建成了全球第一艘現(xiàn)代風帆船“新愛德丸”。這艘船載重1600噸,排水量2400噸,裝