八大事件，带你回顾风电的前半生
2020/8/19 7:00:00 科学大院
前两天大院发布了《我们离台风发电还有多远》，很多小伙伴在评论区展开激(脑)烈(洞)探(大)讨(开)。聊完了风电发展的未来，就该说说它的过去了。作为人类最早开始利用的能源之一，风电虽是”新“能源，却有着波澜起伏的前半生，一起来看看吧~
一、古老的风能VS.新生的电能
数千年前，古埃及人尝试在船上安装风帆，利用风在尼罗河上航行。帆船拉开了人类驾驭风能的序幕，并且作为一种休闲娱乐方式和运动竞技项目，仍旧存在于现代生活中。
帆船(图片来源：pexels)
公元前二世纪，波斯人利用风车碾磨谷物。13世纪，风车传入欧洲，荷兰人在沿岸地势低洼的地区建造大量风车将倒灌的海水排出，使荷兰成为了闻名世界的风车之国。
荷兰风车(图片来源：pexels)
19世纪中期，为了解决美国西部农场内牲畜的饮水问题，多叶片风力机带动活塞水泵的提水风车应运而生，为规模化农场的开发提供了助力。
美国西部风车(图片来源：pexels)
二、风力发电“初”体验
1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象并发明了圆盘发电机。短短一年后，法国人毕克西发明了世界第一台手摇式直流发电机。紧接着，德国工程师西门子完成了具有应用价值的发电机。随后，实际可用的发电机正式问世，人类正式跨入电气时代。此时，风能到电能的转化只差临门一脚，而风力机和发电机之间的传动轴迟迟未被安装。
1888年冬天，美国工程师查尔斯·布鲁斯(Charles Brush)基于农场提水风力机概念，在自家后院建造了一台风力发电机，给蓄电池充电以解决自家日常用电需求。现代人认为这是第一台自动运行的风力发电机，虽然是功率为12 kW的初代机，但这个庞然大物的风轮直径却长达17米，叶片是由144个由雪松木制作而成。难以置信的是，这台机组异常长寿，足足运行了近20年(现代风电机组的设计寿命普遍为20年)。然而，这台机组的大获成功使得其他研究者低估了风电技术的难度。尽管美国各地短时间内刮起了一股风电浪潮，大量的尝试却均以失败告终。
布鲁斯研发的世界首台风力发电机(图片来源：维基百科)
三、丹麦人捡起风电接力棒
美国人对风力发电探索的消息不胫而走，迅速传到了大洋彼岸的欧洲大陆。丹麦的气象学家保罗·拉·库尔(Poul la Cour)敏锐地觉察到风电蕴藏着的巨大潜力，着手对风电技术进行研究。他建了一座风洞开展相关实验，发现了叶片数目少、转速高的风力机的发电效率上比多叶片提水风力机高得多。1897年，保罗在丹麦的一所高中的校园安装了自己研发的两台实验风力发电机。此外，他每年还给风电工人做培训，并创办了世界上第一个风力发电期刊。保罗作为现代风力发电机的先驱，将丹麦的风电技术推向了世界领先水平。
保罗研发的试验风力发电机(图片来源：维基百科)
1908年，丹麦研制出了首批成熟的商业化风电机组，包括72台5-25 kW机组。到了1918年，丹麦的风电装机容量达到3 MW，占全国电力消耗量的3%。
四、横空出世的达里厄型风力机
1925年，法国工程师达里厄(G.J.M Darrieus)发明了一种全新的风力机，其叶片犹如具有流线型轮廓的跳绳。虽然这款升力型垂直轴风力机的风能利用率约为40%(水平轴升力型的理论利用率为59.3%)，但其不受风向限制且安装维护成本低，加拿大和美国在六十年代对其开展了大量研究。然而在历史的岔路口，被寄予厚望的达里厄型风力机却由于各种原因逐渐没落，水平轴风力机最终占据了风电市场。一部分学者认为，如果在达里厄型风力机上投入和水平轴风力机相当的研究经费，前者则具有更为广阔的发展空间。
达里厄风力发电机(图片来源：鹏芃科艺网)
五、动量叶素理论的诞生
1935年，英国科学家Glauert将叶素理论和动量理论结合，形成了统一的叶素动量理论(BEM)，其不仅能够用于风电叶片的气动外形设计，也可以评估叶片的载荷和风轮的输出功率，奠定了风电机组设计的基础。此后的多年间，多种损失修正被相继提出，使得该理论不断改进和优化，提供更加精确的结果。截止到目前，叶素动量理论仍旧活跃在风电领域的学术前沿，发挥着不可替代的作用。
六、兆瓦级风电机组的诅咒
西方国家在风电技术的探索过程中，先后面临到了单机容量难以突破兆瓦的难题。事件终于在1941年迎来了转机，美国工程师设计了一台1.25 MW的巨型风力发电机组，叶片长度约27米，其仅运行了33天，一只叶片就坠落了。
这次失败成为了诅咒，始终萦绕在风电研究人员的脑海里，在漫长的40年内，没有人再进行尝试。最终，随着技术的不断积累和成熟，机组容量实现了突破，此后逐步达到2 MW、5 MM、8 MW以及10 MW。目前世界上最大的机组额定功率为12 MW，高达260米。学术研究中甚至已经提出了20 MW机组的概念，风电机组的容量天花板还未被触及。
12MW风电机组的宣传图(图片来源：GE官网)
七、划时代的“丹麦概念”风力发电机
1950年，作为丹麦的Vester Egesborg风电公司的工程师，Johannes Juul首次把风力机中的直流发电机换成了异步交流发电机。此后，交流发电策略延续到了现代风力机中。碰巧的是，他还是1904届拉·库尔风电培训班的学生。在1956-1957年间，应SEAS电力公司的要求，Juul在丹麦南部的Gedser海岸设计一台容量只有200 kW的机组，然而它却成为了一件划时代意义的产品。这台机组具有三叶片、上风向、电动机械偏航和异步发电机的特征，凭借着较高的风能利用率和稳定可靠的结构性能，在众多类型的概念中脱颖而出，成为现代风力发电机的设计雏形，被称为“丹麦概念”。这台风力机是现代失速调节型风力机的模板，其在风力机风轮旋转过快时，可以通过离心力的作用，紧急触发叶尖气动刹车。
Gedser风力发电机(图片来源：维基百科)
八、风电大踏步走向广袤的海洋
随着土地资源的限制，并且海上平均风速高，品质更优，风资源丰富，欧洲风电大国纷纷将目光转移到了广袤的海洋。1990年，瑞典率先在离岸350米的水深6米的海床上安装了世界上首台海上风电机组，这台220 kW的实验性机组为海上风能利用指引了光明的方向。
紧接着1991年，筹划已久的丹麦一举在波罗的海区域安装了11台450 kW的机组，建成了世界上第一个海上风电场，在整个海上风电场的规划、设计、实施、维护等一系列环节积累了宝贵而丰富的经验。
海上风电场(图片来源：鹏芃科艺网)
写在最后
通过介绍上述的八个事件，我们回顾了风力发电在近百年间漫长的发展进程。这些历史节点见证了一代又一代技术的革新与进步，同样也为风电的未来发展指引了方向。在近十年间，世界各国均在积极推进海上风电产业的开发，风能作为清洁绿色能源的排头兵正在以前所未有的活力阔步向前。
对“八大事件”某一具体历史节点风电发展过程感兴趣的小伙伴可以选择评论区留言，留言点赞最多的，大院er满足你，下一次就具体说说你们感兴趣的部分吧~
参考文献：
[1]Glauert H. Airplane propellers. Aerodyn Theory 1935;4:169e360
[2]http://fd.bjx.com.cn/zhuanti/2015fdfzjy/#main02
[3]http://www.pengky.cn/zindex.html
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