1.3　风力发电历史过程

美国纽约和德国柏林分别于1882年和1884年建立了第一批总装机容量约为500kW的电站。在20世纪初，几乎所有的大型城市和工业化国家都开始大规模地使用电力。

人类利用风能发电是在城市早已实现了电力供应，而在农村仍没有电力覆盖的工业背景下开始的。当时，欧洲风车和美国风车依然盛行，人们尝试利用原本用来泵水的风车来发电。第一个系统地尝试利用风能来发电的工程师是丹麦工程师Poul La Cour。

1.3.1　Poul La Cour直流风力机

Poul La Cour在丹麦政府的支持下，为解决丹麦农村供电难题，开始研究风能发电。他是第一个基于科学理论对传统风车进行完善的研究者，是利用风能生产电力的先驱，这也标志着历史风车向现代风力机的转变。

Poul La Cour发明的风力机如图1-15所示。风力机采用水平轴布置，有四个叶片，通过一个长轴以及齿轮箱来带动置于地面的发电机，产生直流电流，电流通过蓄电池供离网用户使用。此风力机已经初具现代风力机的规模。Poul La Cour还采用电解制氢来存储风能，然后再利用氢气灯来为校园照明。

Poul La Cour是第一个采用风洞试验检测风力机性能的科学家。Lykkegard公司对Poul La Cour直流风力机的工业生产是风力机成功的标志。到1908年已经有72台Poul La Cour直流风力机用于农村电力供应。在第一次世界大战期间，由于化石燃料价格的上涨，促使Poul La Cour直流风力机应用更加广泛，到1918年共有120台风力机在运行。Poul La Cour直流风力机成功的另一个历史背景是，当时丹麦农村在二次大战以后仍然使用直流电，风力机与产生直流电的柴油机或燃气轮机并联应用，比与产生交流电的发电设备并联应用在技术上更加容易实现。

据记载，Poul La Cour直流风力机的风能利用系数不高，仅为0.22，在好的风场其年发电量可以达到5万kW·h。德国风能工作组对Poul La Cour风力机深入研究，发现该风力机可靠性极强。在1924—1943年的运行报告显示，齿轮箱和轴承的使用寿命为20年，运行20年后必须更换。

Poul La Cour风力机在第一次世界大战后，由于化石燃料价格便宜而受到冷落。但在二次大战爆发后，再一次受到人们的关注。许多已经停运多年的风力机再次开始运转，更多的风力机开始被制造。

1.3.2　Smidth风轮

与Smidth风轮相比，Poul La Cour的四叶片风轮设计理念有些落后。Smidth公司生产的风轮以“发动机（Aeromotor）”命名。第一台Smidth风轮设计额定功率为50kW，风轮旋转直径为17.5m，设计风速为11m/s，采用两片木质结构的叶片，叶尖速比为9，叶片无扭角定桨设计，采用空气动力制动装置控制速度，有的风力机塔架采用桁架结构，如图1-16所示。大部分采用混凝土塔式结构，如图1-17所示。

随后，Smidth设计了输出功率更大的三叶片风力机，如图1-18所示。主要规格为：上风式风轮，三个固定扭曲叶片，NACA4312翼型，叶片有效长度9m，转速30r/min，在10m/s额定风速时额定功率为70kW，旋转直径为24m，安装角在接近轮毂处为16°，叶尖处为3°，起始风速5m/s，停机风速20m/s，设计叶尖速比为5，异步发电机200kW，8极；转差率满载时为1%，增速比k＝25，塔架为混凝土塔式结构，塔高24m。为了减小轮毂的弯曲应力，叶片用支撑架连接。叶片采用了传统风车技术的木架钢梁结构，木架上覆盖铝合金蒙皮。

异步发电机使转速保持恒定。在与电网解列发生飞车的情况下，调速器控制的伺服电机使叶尖处的扰流器转90°，起动气动刹车。

从结构和形状可以看出，Smidth风力机与现代风力机更加相近，只是美观性较差一些。

1.3.3　德国大型风力机

在第一次世界大战之前，德国开始尝试风能发电。20世纪30年代，在美国的许可下，生产了3600台美国风车，主要用于提水，少量风车经改装后用于发电。

在第一次世界大战之后，德国人Kurt Bilau基于更加先进的技术理念去发展风力发电技术。他已经认识到美国低速风车不具有最佳性能，开始尝试具有更高叶尖速比的四叶片Ventimotor风力机。

在航空机翼空气动力学背景下，物理学家Albert Betz对风力机的物理和气动性能进行了计算，得出风力机最大风能转化效率为59.3%，这一理论直到现在依然被证明是正确的。此外，空气动力学理论和叶片的轻型设计在20世纪迅速发展，为现代大型风力机的发展奠定了基础。

钢铁结构工程师Hermann　Honnef构想了一个巨型风力机。设想一个巨型塔架支撑五个风轮，每个风轮直径为160m，额定输出功率为2万kW，如图1-19所示。在极端风速下，在桁架塔顶部的驱动件使风轮倾斜，最后处于水平位置。此风力机设计基于数学和工程原理，实现面临着许多问题。

在1930—1940年期间，由于德国本土燃料和电力的缺乏，于1939年成立了RAW风能研究组织，汇聚了许多科学家、技术人员和工业企业等。RAW组织资助了很多风电项目，其中一项为1937年由工程师Franz Kleinhenz发布的巨型风力机计划，结构如图1-20所示。该风力机的结构参数为：风轮直径130m，三或四个叶片；额定功率10000kW，叶尖速比为5，风轮为顺风式，轮毂高度为250m，电机的直径为28.5m。直到1942年，该项目还处于积极的筹备之中，但在世界大战爆发后，该项目实施计划破灭。

德国在20世纪30年代主要忙于风力机理论研究和大的风电规划，直到1931年，才在USSR建立了第一台WIME D-30型大型风力机，如图1-21所示。WIME D-30型风力机的主要参数为：三叶片风轮，桁架式塔身，旋转直径30m，额定功率100kW，额定风速10.5m/s，额定转速为30r/min，叶尖速比为4.5。叶片采用变桨距控制，依靠一个圆形轨道对风力机进行偏航。此风力机在1931—1942年间运行良好，生产的电力并入小型电网。此风力机良好的运行实践经验，增强了建造5000kW大型风力机的信心，但这些计划都因其后的二次世界大战而终止。

1.3.4　美国的第一台大型风力机

Palmer C.Putnam是美国第一位享有实现风电并网发电美誉的科学家，与马萨诸塞州一些著名科学家和技术人员合作开发出第一台大型风力机。

1941年10月，第一台大型风力机在佛蒙特州的小山顶上安装，如图1-22所示。该风力机主要参数为：风轮直径为53.3m；额定输出功率为1250kW；塔高为35.6m，重75t；叶片采用不锈钢制作，无扭曲；两个叶片采用拍向铰链连接，以减少强风下叶片的风载荷，风轮轴与叶片轴之间的角度随风速和转速变化；翼型为NACA4418，恒定弦长3.7m，叶片有效长度为20m，每个叶片重量为6.9t；额定风速13.5m/s，额定转速29r/min；仰角为12.5°，锥角可变6°～20°；增速比k＝20.6；风力机速度和功率输出控制采用叶片液压系统实现，采用1250kW同步发电机。风轮能够承受62m/s的风速。此风力机运行了四年，直到1945年3月26日，因一片叶片在运行中折断而终止。后期，由于缺少维修资金而被拆除。