风力发电的奥秘

自然界的风，来无影去无踪。在太阳光的照射下，各个地方的空气因受热不均匀而发生流动，便产生了风，风能实际上就是空气的动能，是一种取之不尽的能源。

风能是一种清洁无公害的可再生能源，很早就被人们利用，主要是通过风车来抽水、磨面等。风力发电是除水力发电技术外，新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。

这几年旷野、沿海地带，或者高山附近的“大风车”越来越多，大家所说的“大风车”实际上是风电场的风力发电机组，风电场由风力发电机组、 输变电线路、升压站等部分构成。风力发电机组利用风力带动风车叶轮旋转，将风能转化为机械能，发电机再将机械能转化为电能，风力发电机组输出的电能通过集电线路输送到风电场升压站，升压站升压后再输送到电网，就变成了千家万户可以使用的清洁风电了。

“大风车”是风电场主要发电设备，基本结构由叶轮、机舱、塔筒和基础等组成。以1.5兆瓦的风机机组为例，叶片就有35米长（相当于15层楼高），风机整体高度达到75米。风车每转动一圈扫风面积可达5300平方米，相当于 13个标准篮球场那么大。

一般风速达到3m/s风车就可以旋转发电，当风速达到25m/s风车为了保护自身安全会收桨停机。1.5兆瓦机组的叶片每转动一圈可以产生约1.4度电，它一天的发电量可以供15个家庭使用一年。叶片的旋转速度比风扇慢很多平均4～5秒转一圈，叶尖时速却可达到280多公里/小时，相当于高铁的速度。

大家会注意到，大部分风力发电机都是三个叶片在转动着，这是为什么呢？其实，科学家们做了很多复杂的理论计算和风洞实验，来确定发电机叶片的形状和叶片的个数。实验证明，风轮的叶片不是越多越好，三叶风轮与两叶风轮相比，运转时的平衡性更好。与多叶风轮相比，三叶风轮的优点是轮叶自重较轻、叶片长度较长。综合多种因素考虑，三叶风轮具有比较好的性能，风能利用率也比较高。

是不是风速越大，风电越多？根据能量守恒定律，理论上风速越大提供的电能就越多，但我们的风能转换器在风速达到相当程度时会因为强度关系而损坏。如果叶片转速过快，离心率大大增强，惯性趋势会打破风机自身的平衡，叶片就容易折断。因此，每种型号的风机都有最大转速，当一定时间内的平均风速超过风电机组设计的最大安全承受风速（即切出风速）时，风电机组为保证自身安全，采用叶片空气制动和机械刹车制动，使风机能够在紧急情况下让叶轮转速逐渐降低至停止，待平均风速降低到切出风速以下时，风机会再次并网发电。当遇到紧急情况时，监控人员也可远程操控使风机偏航，以减小叶片的受风面从而保护风机不发生危险。事实上，风机发电量不取决于叶片旋转的快慢，在叶片恒定转速的情况下，叶片受力增加，功率就会增加，风机的叶片越大，功率越大相应发电量就越多。

风力发电机组种类繁多，根据不同的划分标准可以分为以下几种类型：

按照机组容量来划分：机组容量为0.1千瓦～1千瓦的为小型机组，1千瓦～1000 千瓦为中型机组，1兆瓦～10 兆瓦为大型机组，10兆瓦以上的为特大或巨型机组。

根据风力发电机的运行特征和控制方式分为：恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。恒速恒频风力发电系统中，当风速发生变化时，风力机的转速不变，导致输出功率下降，浪费了风力资源，发电效率大大降低。而变速恒频风力发电系统的转速可变化，根据风速可适时调节风力机转速，实现对风能最大限度的捕获，系统的发电效率也大为提高。目前，国内外已建或新建的大型风电场中的风电机组多采用这种运行方式。

根据地域划分，风力发电分为两种：内陆风电和海上风电。相对于陆地，海上风力发电系统有更多优势，发展空间几乎没有限制，可节约大量的土地资源;风切度小，可有效降低机组塔架高度，海上风电建设成本更低;海上的风能资源远比陆上丰富，风速更高，发电量也相应显著提升;同时，海平面摩擦力小，作用在机组上的荷载小，机组使用寿命可长达 50 年;噪声、鸟类、景观以及电磁干扰等问题对海上风电影响也相对较小;对生态环境基本无影响，绿色环保。

风力发电除了传统的高塔、风车式样的风力发电机，眼下，各国科研人员正在努力赋予风筝一项新的功能——让它成为高空风力发电平台。

能“发电”的风筝当然不是我们平时玩的风筝，这些发电风筝上面安装着多种传感器，采用高强度的轻质材料制成，面积大、重量轻、抗风能力强。风筝飘在天空时，几乎垂直于风向，从而产生了最大的上升拉力，这种拉力就作用在放风筝的绳索上，然后繩索拉动固定在地面上的转盘转动，此时转盘带动发电机发来。

根据记载，早在19世纪初就有人用大型风筝来拉小火车，但是人们在1980年前后才开始着手研究风筝发电的可能性。风筝发电系统很复杂，比如，风筝将高空的风能转化为机械能的同时，也是保持系统稳定的平衡器，但平衡运动与做功运动相互影响，因此设计出平衡与做功的最佳控制模式有很大难度。另外，碰到雷雨天气，电站容易被“顺绳索而下”的雷电击毁。我们相信，在可预见的未来，“风电风筝”将会飞入高空，将那里更强劲、更稳定的风能“捕获”回来。

◎ 来源|综合新华网、山东省电力科学技术协会等

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