农村有广阔的风能应用天地。冬季，西北风劲吹，冰冷的房间使人瑟瑟发抖，殊不知高空中的冷风也能够带来温暖，这就是风能制热，原理如图2.5所示。风吹向风力帆，风力帆的旋转带动转轴转动，经过齿轮箱，通过皮带，转轴传动到搅拌轴，使搅拌轴在水槽中转动，搅拌轴上装有许多叶片（它在转动，称为动片），在水槽内壁上也装有叶片（它是固定的，称为定片）。动片和定片相互交错排列，当搅拌轴转动时，液体在动片和定片之间流动，搅拌轴搅动的机械能全部传送到液体内，导致液体温度逐渐升高。这就使寒风带来了温暖。
图2.5 风能制热原理图
风能制热在实际应用中还有以下4个方案：
①动片和定片之间装入磁化线圈，动片转动时切割磁力线，生成电流，加热冷水。
③风力机带动一个空气压缩机，空气受压后温度升高而发出热能。
④风力机带动液压泵加压液体，液体从小孔喷出，使液体发热。
日本有一公司利用方案③，使水温升高到80℃，供应酒店浴池用水。
在我国，风力制热已进入实用阶段，尤其是在西北地区，那里天气严寒，给牲畜带来冻害，利用寒风可以供应热水或暖气，用于浴室、住房、花房、牲畜房防寒、防冻及取暖。黄河三角洲有丰富的风能资源，利用风力可以抽取地下水进行灌溉，并解决温室取暖问题。在水产养殖方面，养殖业中鱼苗过冬、新虾产卵、幼虾生长及提高产量都需要加温，尤其是在东北寒冷地区，对风力制热的要求更加迫切。
（2）装在墙壁上的风力发电机
家庭用风力发电机“风立方”（见图2.6）可以安装在墙上，它采用可伸缩扇叶拼接成六边形，平铺在迎风的墙壁上。有风的时候，扇叶打开吸收风能，风能再转化成电能，存储在蓄电池中。每个风扇每个月可以产生21.6 kW·h的电力，一组风机由15个风扇拼接成，发电量可供一个四口之家使用。
图2.6 家庭用风力发电机“风立方”
（3）风筝也可以发电——供给一个城市的电力
风筝是娱乐工具，但现今许多科学家千方百计想把它用于发电。过去人类想要从很远的高空中取得能量只能是幻想，如今在风筝的启发下，能够利用风能产生便宜的电力。欧洲的风筝发电开发者巴斯兰兹朵放飞一只10 m2大小的风筝，风速为4 m/s，风电功率达2 kW。一家意大利风筝风电公司2007年在米兰机场测试原型风筝系统，当风筝飞到400 m高空时获得了预期的数据。德国科学家计划制造家用小型风筝发电机，设计想法是把它安装在屋顶上，当风筝飞到100 m高度时，便收集风能，可以供给家庭所需的电力。俄罗斯物理学家波德歌茨把50个巨大风筝在空中从上到下排成串，每个风筝面积巨大，并可以调节高度使风力稳定，获得的电功率也很稳定。美国科学家提出高空风电场的设想：用300个发电风筝，在200 km2的空间，组成高空风电场，这足以满足芝加哥全城的电力需求。这些事例表明，风筝发电已从幻想逐渐走向现实（见图2.7）。
图2.7 风筝发电
（4）人造龙卷风发电
龙卷风的中心最大风速可达到300 m/s，中心气压极低，为大气压的1/5。如果一个门窗紧闭的房子外面，气压突然比标准大气压降低8%，那么这座房子墙壁的每个面都要承受每平方米780 000 N的力，这座房子将立即被破坏。龙卷风的中心是一个低压区，有巨大的吸力，可以吸起一个重达百吨的大油罐，把它扔到120 m的远处，也可以把长为75 m的大铁桥从桥墩上吸起抛到水里。
有风就可以风力发电，但自然界的风能密度小、不稳定。人造龙卷风持续、稳定、功率大，为风力发电创造了条件。龙卷风风力巨大，可达12级以上，功率达3万MW，这相当于10个巨型电站的功率。人们从工厂烟囱得到启发：烟囱可以把窑炉内的废气排向空中是因为废气比周围的空气温度高，其密度也就较小，在烟囱中产生的“抽力”使大量热空气从烟囱排向空中。人造龙卷风利用对流层内空气上升与下降的规律，沿陡峭山体搭建大口径“人造龙卷风产生管道”，内径3 m以上，垂直高度900～1 000 m，为热空气上升创造条件。气流可以在管道内快速上升，类似于烟囱抽吸烟尘，在管道的内壁安上螺旋脊，迫使管内流动气体沿螺旋脊旋转，形成高速气旋。铺设管道的垂直高度越高，气流速度越快，气流动力也越大；管道内径越大，流量越大，其功率也越大。一处适宜山体可以铺设一条或数条龙卷风生成管道，从而构建中大型人造龙卷风发电站，以色列的风能塔就是利用上述原理制成的。人造龙卷风是一种强大、持久、稳定、取之不尽、用之不竭的绿色能源。
四川陈玉泽、陈玉德两兄弟，用白铁皮自制一个风筒，用电阻丝在底部加热，产生冷热空气对流，风筒里的风轮就开始旋转，风筒加高一部分，风轮转速就增加一倍，这个看起来似乎很小的发现，成为一项国家级发明专利——人造龙卷风发电系统，国家知识产权局向陈氏兄弟颁发了专利证书。美国退休的埃克森美孚工程师Louis Michaud设计制造了人造龙卷风发电的原型机，被称为“大气涡流发电机”。具体工作原理和形貌如图2.8所示。
图2.8 大气涡流发电机的工作原理
（5）从大烟囱冒烟启发出的发电方法——大烟囱造风发电
风力发电中最重要的因素是要有稳定的大风，风大则能量大，大烟囱造风发电系统能满足此要求。工厂烟囱冒出浓浓的黑烟，是由于烟囱有巨大的抽吸力，把炉内废气抽出来，烟囱内气流速度很快，这就是烟囱发电的原理。德国施莱奇教授在建造大建筑时发现烟囱效应：烟囱越高，直径越大，抽吸空气的能力越强。1982年，德国和西班牙合作，在沙漠高原上建成世界上第一座太阳能热气流电站，它的原理是让阳光制造热风，推动风力发电机，得到纯净电力。此电站由烟囱、集热棚、蓄热层和风力发电机组成。集热棚直径250 m，是圆形透光隔热的温室，棚的中央有个高200 m的太阳能塔。集热棚内部的地面蓄热层被太阳光照射后温度升高，棚内的空气温度达到20～50℃，按照热升冷降的原理，烟囱内部会形成一股风，在风轮抽排的作用下，风速达20～60 m/s，热风驱动设置在太阳能塔下部的风力发电机发电，大棚外的冷空气不断被吸入补充上升的气流。太阳能热气流电站发电容量没有限制，只要棚够大、塔够高，气流就可达到飓风速度（60 m/s），发电功率可达1 000 MW。它不用水、不用煤，只用太阳光，20多年来它平稳运行。这项技术的综合效益是如今风力发电的200倍，它的成功发电标志着一次绿色能源的革命。
2002年，澳大利亚政府支持建造了一个高为1 000 m的大烟囱，基部有一个直径为7 000 m的大圆盘状集热温室，在太阳光照射下，热气流沿着大烟囱以16 m/s的速度上升，推动涡轮旋转而发电（见图2.9）。晚上存储器中积聚的热能会继续推动涡轮发电，所产生的200 MW电能可供20万个家庭使用。我国新疆电力公司与华中理工大学也筹建了太阳能塔热气流发电站。澳大利亚能源公司Environ Mission在美国凤凰城以西的沙漠地区建了一座高为800 m的烟囱型太阳能热气流发电塔，巨塔内置32个风力涡轮发电机，其功率可满足20万个家庭用电。
图2.9 太阳能热电流发电装置
（6）巴林世贸中心——中东的新型风塔
高处风大，现在世界各地高楼林立，利用高楼安装风机已有多例。众所周知，穿堂风是最凉快的，夏天人们走在两高楼之间，风吹使人感到凉飕飕的。用两楼之间的风道，把风力发电和摩天大楼相结合，建成了以风能供电独树一帜的双塔——巴林世贸中心。
中东地区的海风资源相当丰富，风塔成为巴林的最高建筑物（见图2.10）。利用海湾地区的海风，以及建筑外呈风帆状且线条流畅的塔楼，使两座楼之间的海风对流，加快了风速。通过发电机，将风力涡轮产生的电力输送给大厦使用。该建筑成为世界上同类型建筑中利用风能作为电力来源的首创。建筑设计使风通过双子塔时会走一条S形线路，这样不仅在双子塔的垂直方向，而且在垂直方向的左右各60°，总共120°的方向内的风都可以带动风机发电，总能量比单独风机的能量成倍地增加。此类建筑中，把风机和高层建筑结合起来有几个优点：维护费用下降，不需要偏航装置；免去塔筒、地基及道路费用；减免长距离电缆费用。据测算，巴林世贸中心风力涡轮发电机每年能够产生1 100～1 300 MW·h的电力，足够给300个家庭用户提供一年的照明用电，变相减少了因建筑物的电耗而对应的碳排放量。
图2.10 巴林世贸中心的新型风塔
（7）迪拜的能源塔(www.xing528.com)
阿联酋的迪拜有一座曾经为世界第一高楼的能源塔（见图2.11），此塔68层，高322 m。塔顶就是风能发电机，再加上太阳能电池和储备装置，此塔能源可以全部自给。
图2.11 迪拜的能源塔
（8）风能驱动的汽车
利用风驱动，汽车能达到难以置信的速度。例如，“绿鸟”风力汽车（见图2.12），有钢制的驱动翼产生向前的驱动力，使车速达到风速的3～5倍，创造了当风速为48 km/h，车速为202.9 km/h的世界纪录。美国空气动力学家卡瓦拉罗制造的DWFTTWX型风力汽车，采用5 m高螺旋桨推进器，车速可达风速的2.86倍，即62 km/h。
德国的宝马风力汽车采用类似帆船的设计，时速可达200 km，供荒漠地区娱乐用（见图2.13）。两个德国人Stefan Simmerer和Dirk Gion驾驶风动力汽车横跨澳大利亚，他们用了18天的时间，驾驶风动力汽车行驶了4 800 km。夜晚，他们使用一个可以折叠的6 m风力涡轮发电机给汽车充电，汽车装备了充电插头以备没有风力的时候还能给汽车充电。白天如果风力不够大，他们还使用一个风筝帮助牵引。
图2.12 “绿鸟”风力汽车
图2.13 宝马帆船风力汽车
（9）利用风力推动的船舶和快艇
风力推动船舶的原理是利用风力推动风力机的转轴，这种旋转运动最后可传递到船尾的推进器，它转动后就推动船舶前进，不管顺风或逆风，均可在风力间接作用下使船前进。
新西兰工程师贝茨在历经21年研究成功的“风力快艇”上装有3个叶片的风车，其转轴会带动快艇尾部的推进器，推动快艇前进，不论风向如何，快艇都可以利用风力前进。当风速为27.78 km/h，快艇的逆风船速可达13 km/h。
珠海琛龙船厂承造的“环保第一船”是个白色的游艇，它是世界上目前最先进的环保船之一。其动力系统技术先进，8节航速的高速完全是由风能、电能、太阳能等这些环保动力驱动。目前公认的首艘实用化的风能辅助商船是日本的“新爱德丸号”（见图2.14）。“新爱德丸号”是世界上第一艘现代风帆动力游船，采用“机主帆从”的设计思想将古代风帆推进原理与现代流体力学技术相结合。“新爱德丸号”安装了两面流线型风帆，采用计算机技术根据航向与风向的关系自动调整风帆角度。经过营运实践证明，这种柴油风帆联合动力船在沿海地区采用风力推进可节约至少20%的燃油。后来先后出现了英国的“爱国者号”、俄罗斯的“斯拓夫号”、日本的“扇蓉丸号”、美国的“小花边号”等风帆助航船。此外，法国、荷兰、芬兰、澳大利亚、印度等国均在积极研制风力船，载重从几千吨到几万吨。
图2.14 日本的“新爱德丸号”
圆筒帆“E-Ship1”号（见图2.15）的主要工作原理是马格努斯效应，足球中的弧线球就是这种效应的体现。在球体旋转时，球体带动周围的空气一起运动，和球体旋转方向一致的一侧气流速度会加快，而和球体旋转方向不一致的一侧气流速度会减慢。不同流速的气体会产生压差，对球体产生一个横向的作用力。这个原理具体到船上就是在船遇到横风的时候，圆筒旋转产生一个垂直于风向的作用力，推动船舶前进。但风向很难完全和船舶前进方向垂直，需要一个螺旋桨来提供相应的力形成前进方向的合力而推动船舶前进。
图2.15 圆筒帆“E-Ship1”号的外观和工作原理示意图
（10）风光互补绿色照明
风光互补发电系统由风力发电机和光伏电池组件构成，通过逆变器将风机输出的低压交流电整流成为直流电，并和光伏电池输出的直流电汇集，充入蓄电池，实现稳压、蓄电和逆变，从而为用户提供稳定的交流电源，且可靠性高。风电和光电系统在蓄电池组和逆变器上是可以通用的，其造价、建造及维护成本比单独的风电或光电系统低。在路灯、广告灯、监控系统、农业灌溉、海水淡化、部队军营、微波通信、科普教育等多领域内，风光互补作为独立供电系统的应用范围比单独的风能或太阳能发电高10多倍，而成本仅为原来的1/3。我国许多地方开展了此项技术的应用，如青岛奥运风帆基地、南京市首届旅博会绿色住宅、上海崇民岛路灯示范基地、浙江慈溪路灯节能示范工程、北京农村道路照明、广州市路灯照明等。我国风光互补发电系统的技术在国际上处于领先地位，许多企业研制的发电系统已出口到世界各国，如东南亚（越南、马来西亚）、欧盟（波兰、英国、法国、土耳其）、北美（加拿大）、大洋洲（澳大利亚）等国际市场。
风能和太阳能互补的绿色照明系统（见图2.16）可对船舶及海港提供照明能源。路灯照明是城市中消耗能源的公共基础设施，是耗电大户。风光互补新能源照明技术将光电和小型风力发电机组合，将太阳能及风能转换成电能，具有保护环境、节约资源的功能，符合循环经济的要求，也能对人们进行新能源利用和生态环保意识进行直观教育。风光互补路灯不需要输电线路，一次投入建设后就可以利用取之不尽、用之不竭的风能及太阳能提供稳定可靠的电能。这种路灯有着传统路灯不可比拟的社会效益和经济效益。此外，这种互补能源系统弥补了风电和光电独立系统的缺点。白天太阳光强、风比较小，夜晚太阳落山后光照弱，地表温差变化大，风能加强。夏天太阳光强而风小，冬季太阳光弱而风大。太阳能和风能在时间上有很强的互补性。
图2.16 风光互补新能源路灯
（11）美丽的“风电之花”
设计美观大方，造型逼真有趣的艺术雕塑——“风电之花”（见图2.17）竖立在街头巷尾，它既可以发电，又美化了城市环境。“风电之花”是有多个垂直轴风力涡轮机的树形结构的一种装备，设计简化，减少了风轮对风时的陀螺力。这些几乎无噪声的小型发电机可以安装在住所的后院，使风能进入普通百姓家庭。“风电之花”是荷兰NL建筑事务所的设计师们一直在探索的先进风力发电方法。
如同城市景观中的艺术雕塑、路灯、手机天线塔和电线杆一样，“风电之花”为现代都市增辉添色。与庞然大物的水平轴风力发电机组不同，“风电之花”占用更少的土地，可简单、便捷地安装在住所后院，把风能转换成分布式发电的电能。“风电之花”使风能进入寻常百姓家，且能和屋顶太阳能系统整合。
图2.17 “风电之花”作为艺术雕塑竖在街头巷尾，既进行分布式发电又美化城市环境
（12）高空风电受青睐
大多数人对高空风电技术都很陌生。2013年，谷歌首次以Google X为名宣布收购空中风力涡轮发电设备公司Makani Power（见图2.18），高空风电技术引起了小范围的公众关注。
高空风电技术是一种利用万米高空风能发电的技术。相比陆地，高空风电具有资源丰富的特点，这些高空风力资源还位于人口稠密区。美国国家环保中心和美国能源局的气候数据显示，全球高空资源最好的地点在美国东海岸和包括中国沿海地区在内的亚洲东海岸。在距离地面487～12 192 m的高空中，蕴藏着丰富的风能资源，如果将这些风能转化为电能，则足够满足全球用电需求。高空风速大，风速每增加1倍，其能量将增加8倍。高空风电有两种方式：一种是在空中建造发电站，然后通过电缆线将电能输送到地面；另一种是类似放风筝，通过拉伸产生机械能，再由发电机转换为电能。组建多座小型高空风力发电机，这些高空发电机像一个大大的飞艇，可以悬浮在空中利用高空的风能驱动涡轮发电。发电机可以根据风向进行转向，它悬浮所需的能量来自自身所产生的电能。目前，美国、意大利、英国、中国、荷兰、爱尔兰和丹麦等国多个公司在研究和开发利用高空风能。
图2.18 谷歌收购的Makani Power公司设计的空中风力涡轮发电设备
利用风能发电时，需要考虑项目所在地的风能密度。随着海拔升高，优质空域的风能密度可以达到2 kW/m2。如果上升到万米高空，风能密度将是百米空域的百倍。在我国，地面风力发电站的风能密度一般不超过1 kW/m2，而万米高空的风能密度均值超过5 kW/m2。尤其在山东、浙江、江苏等省上空的高空急流附近，风能密度可达30 kW/m2，具有非常可观的开发价值。2010年，广东佛山在3 000～10 000 m的高空安放风电装置，首期装机容量10万kW，现已成功发电，其发电成本低于0.3元/（kW·h）。高空风力发电具有以下优点：风能稳定、蕴藏能量巨大、无噪声、便于并网等。高空发电将成为未来获取能源的主要方式之一，被外界普遍认为是可再生能源发展的主要形式之一，已列入国家发改委《能源技术革命创新行动（2016—2030）》。目前，高空发电在技术方面还没有完全成熟，对其未来的发展，人们满怀信心与期待。
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