风力发电是如何工作的

潘家胡同

你知道么地球上每24小时风力所产生的能量大致等于全球人类每天消耗电力的35倍

与煤炭和石油等化石燃料不同

风力每天都能完成自我更新我们如何才能利用这种不可思议的能量呢我们可能创造一个完全依赖风能的世界吗

风能的基本原理其实很简单即安装在轮毂转子上的叶片承受风力并将风的动能转化为旋转能传统的风车利用旋转能来研磨或抽水在现代风力发电机组中

通过旋转使发电机产生电能这种从风能到旋转能

再到电能的能量转换方式在19世纪风力发电机发明的时候

就已经确定下来

有三个因素决定了风机发电量的大小

叶片的尺寸和方向叶片的空气动力学设计以及旋转转子的风量大小

首先是叶片的方向风力发电机的转子可以设计为垂直或水平方向垂直叶片可以吸收任何方向的风但效率比水平转子低很多水平设计能使风机捕捉到风的全部能量只要能找到风的方向

并调整到正对它这种转向过程被称为“偏航”老式风车通过手动监控实现这一目标今天的传感器和计算机会自动调整叶片的精确角度以尽可能多地捕捉能量

在转子的外围叶片需要保持修长的造型来最大限度地提高效率早期的叶片使用扁平造型现代的叶片则使用机翼一样的流线型曲面造型这是因为风在曲线上有着更快的移动速度会在叶片上方产生一个低压带

推动它向上移动由于上升力的大小取决于风力经过叶片时的相对角度现代叶片还会带有扭曲造型以此来优化叶片捕捉风的范围叶片通常由玻璃纤维和树脂层构成

十分坚固能在烈日、大雨和闪电中稳定运行至少20年

即便有了符合空气动力学的叶片和平行设计的转子风力发电机也只能在有风的环境中运行风速通常会随着大气高度的升高而增加所以在今天

很多风机的高度都超过了100米同时具备更大的转子直径这种高度和大小的风力发电机可以捕捉大量的风

现在的一台中型风力发电机

每年产生的电力就可供750个中国家庭使用一个由200个相同型号风机组成的风力发电场可以为15万个美国家庭或两倍数量的欧洲家庭提供一整年的能源

海上风电场能够容纳更多更大的风机在2019年当时世界上最大的海上风电场Gemini（双子座）在荷兰建成投产风机转子直径高达220米这样一台风机的发电量就能满足16000个欧洲家庭一年的用电消耗

尽管潜力巨大

但风能仍然面临不少挑战风是一种自由无限的能源但不管未来的风机有多大

效率有多高风能转换成电能的比例在理论上是有上限的德国物理学家阿尔伯特·贝茨（Albert Betz）于1919年提出贝茨定律

这一定律建立在一个假定的“理想风轮”模型之上

即风机能接受通过风轮的流体的所有动能

且流体是无阻力连续的不能压缩的由于叶片自身的旋转需要消耗风力涡轮机最多只能获得59.3%的风能

除此之外

有些人认为风机破坏了自然环境还有风能的间歇性问题

导致它较难被电网接收消纳即便面对这些挑战风力发电仍是当今最高效

代价最小的电力来源

现如今风力发电已为世界各国提供了必要的能源补充供应对于一些国家的民众来说

托管一台风机成为了他们一项稳定的收入来源随着风功率预报的不断改进电网和储能设施的不断提升

在不久的将来风能或许可以解决我们面临的所有能源问题

参考文献

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[2] 于晶, 马广东, 刘鑫,等. 我国风力发电发展存在的问题及健康发展策略[J]. 工程技术(文摘版), 2022(30).

[3] 乔嘉欣. 新能源发电风力发电技术的发展思考[J]. 电力工程技术创新, 2022, 4(1):20-22.

[4] 刘时旸, 孙悦, 梁腾方,等. 风力发电行业环境管理体系研究及建议[J]. 环境影响评价, 2022, 44(6):5.

来源: 中国电机工程学会

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