风力发电机的转速为什么都这么慢,这样能发上电吗?

风能属于一种可再生清洁能源,随着人类对能源需求的不断增大,人类逐渐开始加大对风能的利用,在广阔的草原中,山坡上甚至是海面上,经常能够见到风力发电机的身影,但我们看见那些旋转的发电机可能都会有这样的疑问,风力发电机的叶片为什么都转得这么慢,这样能发上电嘛?

风力发电机的转速为什么都这么慢,这样能发上电吗?

之所以风力发电机的转速调整至我们所见到的那样,其实是综合了很多因素进行考虑的。

风力发电机叶片质量较大,转动起来比较费力

很多人以为风力发电机就像是一个小小的风车,没有多大,特别是我们从远处看见一大片的风力发电机时,更是有这种感觉,但事实并不是这样,风力发电机完全可以称得上是“庞然大物”,风力发电机的一个叶片就长达60米,要知道一架中型客机的翼展也就30米左右,普通的大型客机翼展才能勉强达到60米,如此巨大的叶片虽然使用的是高强度低密度的材料,但质量也不会太小,通常有十几吨重,而三个这么大质量的叶片要转起来自然就显得有点费劲了。

风力发电机的转速为什么都这么慢,这样能发上电吗?

看到可能就有人会这么想了,既然这么大的风机转起来困难,为什么不做小一点呢?这就与发电机的迎风面积有关了,当叶片太小,迎风面积自然也小,通过叶片的风变少了,那么单个发电机发出的电也会变少,那么如果通过增加发电机数量可以弥补吗?实际上数量增加的同时也增加了建造成本,总体来看,如果发出一样的电,小叶片发电机的成本反而更高。但风机也不能做得太大,一方面受到材料的限制,另一方面安装也会更加困难,综合以后,于是有了我们现在所用大小的风机。

风力发电机的转速为什么都这么慢,这样能发上电吗?

转速越大并不代表发电越多

风力发电机的叶片转动时,会带动内部一个巨大的齿轮一起转动,而大齿轮带动小齿轮时,转动速度也会发生明显的变化,这个结构用一个我们最熟悉的方式表达,就相当于一个变速箱。我们看见的叶片转动速度很慢,但风机内部其实通过变速箱带动着发电机在高速旋转。

风力发电机的转速为什么都这么慢,这样能发上电吗?

当然,风力发电机发电的功率不仅和转速有关,还与扭矩有关,功率=扭矩×转速×K,k为常数,当转速较小时,通过增加扭矩,同样可以增加输出功率,因此,为了延长风力发电机的耐久性,通常不会让叶片的转动速度过快,由于风力发电机的叶片巨大,高速转动产生的离心力也是很大的,长期的高强度离心运动也会损害叶片的寿命,严重的话可能会直接被破坏。所以风力发电机在遇到强风的时候,反而会开启保护模式进行停机,中止发电,以保护风机。

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转速太快也会影响发电效率

实际上风机的叶片在转动时,也会阻碍风的运动,转速越大,阻碍作用越强,当达到某一个值时,那么风能的利用率也会开始降低。为了便于大家理解,我们可以想象两个极端的例子,假如风机的转速接近于无限大的时候,叶片的转动就相当于直接形成了一块密封的板子,挡住了风的流动,这个时候风都得绕道而行,那么自然就没有很好的利用好这些风能,这个时候风能的利用率相当于是零。另一种情况就是风机转速直接为零,这个时候,风能也完全没有被利用,而在转速为零与转速无限大的区间,存在一个风能利用率最高的转速,这个转速与很多因素有关,这里就不过多地展开讨论了,结果就是我们所看见的风机转速与理论上的最佳转速相差不大,通过调整至最佳转速,这个时候的风能利用率也是最高的。

风力发电机的转速为什么都这么慢,这样能发上电吗?

总结

所以,风力发电机看起来慢悠悠,实际机身内部正在进行着高效率的发电。看似简单的风机发电机,实际上在设计之初就考虑了各种因素对风机发电效率的影响,简单的现象背后拥有着复杂、严密的科学道理。