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很多人在坐高鐵出行的時候，望著窗外田野上大片的風車緩緩轉(zhuǎn)動，心中都會產(chǎn)生疑惑：這些巨大的風車轉(zhuǎn)速那么慢，真的能夠產(chǎn)生大量的電力嗎？為什么每一個風車上的葉片都是3根呢？ 風力發(fā)電機是如何發(fā)電的風能是一種清潔能源，而且它可再生，可以說取之不盡用之不竭。古人早在2000多年前就學會了利用風車來提水灌溉、碾磨谷物。進入工業(yè)文明以后，對于風能這種開發(fā)利用率極低的資源，人們更感興趣的是如何利用風能來發(fā)電。
曾有人估算過，地球上可用來發(fā)電的風力資源大概有100億千瓦，幾乎是全世界水力發(fā)電量的10倍。全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內(nèi)所提供的能量的三分之一。因此，各國利用風力發(fā)電的嘗試，早在二十世紀初就已經(jīng)開始了。三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功地研制了一些小型風力發(fā)電裝置。 到了七十年代，第一次石油危機爆發(fā)，導致各國能源供應(yīng)緊張，人們開始意識到常規(guī)礦物能源供應(yīng)的不穩(wěn)定性和有限性，所以尋求清潔的可再生能源成為近幾十年來的一個重要課題。風能作為可再生無污染的清潔能源又重新引起了人們的重視。
風能轉(zhuǎn)化為電能主要依靠風力發(fā)電機來實現(xiàn)。風力發(fā)電機體型巨大，1500KW的風力發(fā)電機風輪直徑達77米，塔高65米；2500KW的風力發(fā)電機風輪直徑達90米，塔高100米。世界上最大的風力發(fā)電機位于丹麥，這臺風力發(fā)電機高達220米（加上葉片長度），上面安裝有3個巨型葉片，每個葉片長達80米，比波音747還要長。這個巨無霸也是世界上最強勁的風力發(fā)電機，正常情況下，它在一天之內(nèi)能發(fā)電26萬度，足夠滿足上萬個家庭每天的用電需求。 風力發(fā)電機一般由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼和葉片組成。機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)化為電能。轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能。尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能。
簡單來講，風力發(fā)電機的工作原理就是風輪在風力的作用下旋轉(zhuǎn)，把風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪軸的機械能，發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。從廣義上來說，風能也是太陽能，因為它本質(zhì)上是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)電機。 風力發(fā)電機雖然看上去很笨拙、結(jié)構(gòu)很簡單，但實際上它是一個有著一定科技含量的機組系統(tǒng)：風力發(fā)電機+充電器+數(shù)字逆變器。由于風力發(fā)電機的風量不穩(wěn)定，所以它只能輸出13～25V的交流電，必須經(jīng)過充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉(zhuǎn)變成220V的交流電，才能保證其穩(wěn)定運行。 風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速慢，為何還能大量發(fā)電呢我們從遠處看巨大的風力發(fā)電機，會發(fā)現(xiàn)它的葉片轉(zhuǎn)速非常緩慢，有時候我們不禁要問：風力發(fā)電機的葉片轉(zhuǎn)速那么慢，它真的能大量發(fā)電嗎？ 一般情況下，風力發(fā)電機的葉片轉(zhuǎn)速大概在每分鐘19到30轉(zhuǎn)，風力越大，轉(zhuǎn)速就越快。不過，當風力達到一定的強度時，風力發(fā)電機就會對葉片進行限速，使其最快不超過每分鐘30轉(zhuǎn)。如果不加以限速，巨大的葉片在快速轉(zhuǎn)動下會產(chǎn)生非常大的離心力，從而導致風力發(fā)電機的機身不穩(wěn)，甚至垮塌。這對于造價動輒幾百萬元的風力發(fā)電機來說，將是巨大的財產(chǎn)損失。
外面的葉片雖然轉(zhuǎn)速緩慢，但是每個風力發(fā)電機的內(nèi)部都裝有一臺增速機，它能夠帶動發(fā)電機的齒輪快速轉(zhuǎn)動，使其轉(zhuǎn)速擴大50倍左右。這樣一來，風力發(fā)電機外面的葉片每分鐘轉(zhuǎn)30轉(zhuǎn)，其內(nèi)部的發(fā)電機齒輪每分鐘就能轉(zhuǎn)1500轉(zhuǎn)，從而能夠大量發(fā)電。 需要說明的是，風力發(fā)電機葉片的轉(zhuǎn)速雖然緩慢，但是其葉片尖部的線速度卻可以達到40米/秒到108米/秒，轉(zhuǎn)換成時速就是144公里/小時到388.8公里/小時。 風力發(fā)電機的葉片為什么都是3根對于風力發(fā)電機，還有一點可能會令不少人感到好奇：為什么大家看到的風力發(fā)電機的葉片都是3根呢？
如果僅從效率方面考慮，1根葉片其實是最好的選擇。風力發(fā)電機的發(fā)電功率和葉片的數(shù)量沒有關(guān)系，在恒定的風速下，其發(fā)電功率僅和葉片掃過的面積成正比。不過，在同樣的風速下，單葉風力發(fā)電機會發(fā)出巨大的噪音，而兩根葉片則會產(chǎn)生陀螺效應(yīng)，使風力發(fā)電機產(chǎn)生劇烈的震顫。不僅如此，單葉和雙葉還會加劇風力發(fā)電機組件的磨損。
那么，風力發(fā)電機的葉片是不是越多越好呢？顯然也不是。一根幾十米長的葉片，單價高達幾十上百萬元，葉片的數(shù)量越多，成本也就越高。另外，風力發(fā)電機的葉片越多，就意味著使葉片轉(zhuǎn)動起來所需的能量也就越大。 事實上，3根葉片能夠最大限度地保持風力發(fā)電機的平衡，也是最經(jīng)濟的一種選擇。 |
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