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兩片四片都不行,風力電機為何非的是三個葉片?涉及風能轉化效率
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2022.08.12 河南

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老式電風扇都是由三個葉片組成的。

前些日子,家里的老電扇終于壞了,于是新買了一臺,這臺風扇不再像傳統的電扇那樣只有三個葉片,而是由許多小葉片組成,這樣設計似乎的確比傳統電扇好看多了,同時,這也使我想到了另一個問題,那就是用于風力發電的風力電機,毫無例外全部都是由三個葉片組成的,這是為什么呢?能量是不可能憑空產生的,所以風力發電也并不是憑空創造電力,它只不過是將能量進行了一次轉化,把風能轉化成了電能。既然是能量的轉化,那就必然涉及到一個問題,就是轉化效率。風能轉化率的高低與兩個因素是密切相關的,一個是風力,一個是風速。

風能轉化功率等于風力乘以風速。

現在我們假設我們的風力電機擁有眾多的葉片,多到組合成為了一個密不透風的圓盤,此時的風能轉化功率如何呢?基本為零。因為當風力電機成為一個密不透風的圓盤時,的確能夠讓作用在圓盤上的風力達到最大,但沒有風可以通過圓盤,只能從圓盤四周繞行,所以作用于圓盤上的風速就為零。任何數字乘以零都得零,所以即便風力再大,沒有風速,也沒有辦法實現轉化。可見,要讓風能轉化為電能,就必須要減少葉片的數量,讓風能夠快速通行,而隨著葉片數量的減少,風速會逐漸提升,作用在上面的風力會逐漸減小,要實現最大轉化功率就必須要找到一個平衡點。

現在你一定會想,風力電機都是三個葉片,那么一定是因為在三個葉片的狀態下,風能轉化功率是最高的,還真不是。

事實上,計算表明在四個葉片的狀態下,風能轉化功率才是最高的。既然如此,為什么風力電機都是三個葉片,而不是四個葉片呢?當我們遇到一個問題的時候,如果無法在科學原理中找到答案,那么答案就一定與另外一個因素有關,那就是錢。風力電機可不是電風扇,它在工作的時候要承擔極大的力和彎矩,所以制作材料必須過硬。現代大型風力發電機的葉片通常使用鋼管或D型型鋼做縱梁、鋼板做橫梁,內部要填充泡沫塑料看,外部還要覆上玻璃鋼蒙皮。

風力電機的葉片造價不菲,所以多加一個葉片,成本就會直線上升。

在很多人的認知中,風力發電就是白嫖,畢竟風是不要錢的,不用白不用,但實際上風力發電也是要計算成本的,其中既包括風力電機的制造成本,也包括使用過程中的維護成本。既然多一個葉片,成本就會提升很多,自然要計算一下值不值得,顯然,結果是不值,所以三個葉片就成為了風力電機的標配。三個葉片是風力電機的一個主要特點,除此之外,風力電機還有另外一個特點,那就是“慢”。不管建設在哪里,也不管風力大小,風力電機的轉動速度總是慢悠悠的,這又是為什么呢?

一般風力電機的轉動速度大概為每分鐘7到12圈,以常識來判斷,這個轉速是怎么也發不了電的,事實上也的確如此。

如果要讓風力電機實現發現就必須要在內部安裝一套齒輪機構,以此來提高它的轉速。通過齒輪機構的變速,風力電機的內部轉速通常都可以達到每分鐘1500轉以上,提升幅度還真是不小。現在問題來了,既然需要高轉速,為什么不直接讓風力電機的葉片轉得快一些呢,非要用一套齒輪機構進行二次變速?轉得快,對于葉片的強度要求就高,所以限制它的速度,一方面的原因就是為了避免損壞,但這不是主要的原因。

風能轉化效率與作用在風機上的風力和通過風機的風速有關,而風力和風速又與葉片的數量有著直接的關系,不過這里所說的“葉片數量”需要用運動的眼光來看。

風力電機雖然只有三個葉片,但如果轉動速度提升,那么實際效果便可以等同于多個葉片。比如,當風力電機的轉動速度非常快的時候,那么它便成為了一個可以完全將風阻隔的圓盤,此時風速又為零了,風能也就無法轉化為電能了。可見,只是給風力電機安裝三個葉片還不夠,還要保證在轉動的過程中,它的實際效果始終為三個葉片的效果,而不會因為轉得太快,而變為四個、五個或更多的葉片。

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