加拿大风能

风能是从流动的空气中获得的能量。运动是由地球的加热和冷却引起的；因此，风能是太阳能的间接形式。它通常通过风流作用于移动表面（例如船帆或风车叶片）转化为有用能量。

风车和其他旋转风能设备（更准确地说是风力涡轮机）在公元 7 世纪用于磨碎谷物，并在中世纪广泛用于此目的和抽水；它们在 17 世纪由法国人带到加拿大，并通常用于磨碎谷物。船舶使用风帆至少已有 3,000-4,000 年的历史。在农村电气化系统出现之前，风力涡轮机也用于北美农场发电，尤其是在加拿大大草原。

风能系统的优点是它们可以利用一种取之不尽、用之不竭的能源，而且没有其他用途；因此，没有燃料成本。缺点是风况不可预测：它们受阵风和风速、风力强度的每日和季节性变化以及与当地地形特征的相互作用的影响。为了满足社区照明和供暖等持续需求，风能系统必须与其他能源相结合，或者包括一种储存能源以供平静时期使用的方法。如果需求不是连续的（例如，在农业供水系统或不定期的水运中），风能可以得到非常有用的利用。

人们对风能转换系统的兴趣重新燃起，是因为能源需求不断增长，而传统能源的成本相对较高。新型风能转换设备采用了先进的空气动力学特性、现代结构设计和新材料。风能转换系统的复兴不仅涉及陆基系统，还涉及商业海洋应用。人们设计了新的风帆配置，以大幅提高船舶性能。然而，最大的努力集中在使用高速风力涡轮机进行陆基发电。

加拿大最有潜力利用风能的地区是那些风能资源丰富且附近能源用户众多的地区。这样的组合可以最大限度地减少给定输出所需的风力涡轮机尺寸、所需能源传输系统的资本成本以及相关的传输损耗。加拿大风能资源最丰富的地区往往位于东海岸和西海岸、马尼托巴省北部的部分地区以及阿尔伯塔省和萨斯喀彻 温省的南部地区。

最大的潜力似乎是发电服务于附近的人口中心和农村社区。在条件允许的情况下，电力将被输送到现有的配电网。纽芬兰和拉布拉多水电公司和萨斯喀彻温电力公司等公用事业公司正在试验使用这种类型的系统。在阿尔伯塔省和萨斯喀彻温省，大规模抽水应用也可能适用于灌溉。在一些非常偏远、传统能源成本很高的地区，例如一些北部社区，风能似乎特别有吸引力。在这些情况下，风力涡轮发电机几乎肯定会与内燃机的动力相结合，以提供持续可靠的供电。使用风力涡轮发电机为电池充电的替代方案似乎对于大型工厂来说成本太高。向其他国家出口风能系统可能会为加拿大工业带来更多机会。

风能应用的最新发展与发电有关。这种用途源于许多地区之前存在的配电网，以及电力的普遍便利性和灵活性。风力涡轮机产生的机械能的直接用途主要是抽水。目前，风力涡轮机驱动的水泵通常是小型机器，主要用于给牲畜浇水。未来，可能会生产更大的机器用于灌溉抽水和其他应用。一种可能性是抽水蓄能系统，其中从低海拔抽到较高水位的水库的水可以通过水力涡轮机流回。

每种应用类型都需要不同的涡轮机特性。大多数发电机或交流发电机往往需要相对较高的转速。因此，运行速度相当快的涡轮机（转子尖端的转速是风速的 3-10 倍）通常比低速涡轮机更受欢迎，因为风力涡轮机轴和发电机电枢之间所需的传动装置较少。与水泵或其他机械负载直接耦合的风力涡轮机通常更倾向于相对较低的运行速度。用于高速运行的风力涡轮机的一个显著特点是转子实度低，即叶片面积与涡轮机转子的总投影面积相比非常小。低速涡轮机具有高实度（少量相对较宽的叶片或大量较窄的叶片）。

所有现代高速涡轮机和大多数低速装置都采用基于翼型原理设计的叶片。一些低效的低速机器依赖于阻力效应，就像一艘横帆船一样。上述评论同样适用于水平或垂直旋转轴排列的风力涡轮机。典型的水平轴高速风力涡轮机有两个或三个叶片，类似于飞机螺旋桨。这些机器的叶片通常被布置成自动改变螺距，以在风速变化的条件下优化性能。最常见的高速垂直轴涡轮机是达里厄斯转子，以其发明者的名字命名。

最常见的低速机器是农场常见的水平轴多叶片形式。涡轮机通常通过曲柄连接到往复式水泵。相关设计是多叶片“自行车轮”涡轮机，这是用于发电的相对低速涡轮机的一个例子。一种简单的垂直轴设计，通常用于抽水，是以其创始人命名的分体式圆柱配置，称为萨沃尼乌斯转子。在这种涡轮机中，2 个或 3 个转子叶片中的每一个都由一个径向偏离旋转轴的半圆柱组成。该设计在一定程度上依靠阻力效应来运行。因此，它不是一种特别有效的配置，但制造起来相对简单。

风力涡轮机的一般优势是完全没有空气污染，能量转换效率高。设计精良的风力涡轮机可以从流经转子的气流中回收高达 60% 至 80% 的动能。然而，风中可用的低能量密度通常将输出限制在转子投影面积的 0.1 至 0.8 kW/m 2（千瓦/平方米）范围内。结果是机器尺寸与输出相比很大；例如，在额定功率为 5 MW（兆瓦）（MW=10 6 W）的机器中，单个风力涡轮机的输出很高，转子直径可以大到 100 米。这种尺寸问题导致使用集群机器（称为风电场）从各个站点提取大量电力输出。风能系统的另一个问题是风力强度的变化，这导致功率大幅波动，因为输出与风速的立方大致成正比。此外，所有风能转换设备都需要有抵御风暴的能力，因此会产生额外的成本。

截至 2020 年，加拿大可再生能源协会 (Canadian Renewable Energy Association) 致力于在加拿大推广使用风能、太阳能和能源存储解决方案。加拿大国家研究委员会(NRC) 自 1960 年代以来一直致力于风能研究。1980 年代，加拿大在加斯佩半岛的 Cap-Chat 建造了世界上最大的达里厄斯 (Darrieus) 型风力涡轮机。Eole 项目是魁北克水电公司和 NRC 的合资企业，该企业耗资 3500 万美元建造了一座 110 米高的涡轮机。Eole 的前身是 魁北克省马德莱娜群岛( Îles de la Madeleine)建造的 230 千瓦风力涡轮机。它由安大略 省密西沙加的Indal Technologies Inc 建造，该公司随后开发了这种实验机器的 500 千瓦商用版本。它达到了多兆瓦规模——4MW，但由于叶片不稳定，运行时间不长。加拿大、美国和英国的风车项目继续探索风能的潜力。