風力發電的奧秘

自然界的風，來無影去無蹤。在太陽光的照射下，各個地方的空氣因受熱不均勻而發生流動，便產生了風，風能實際上就是空氣的動能，是一種取之不盡的能源。

風能是一種清潔無公害的可再生能源，很早就被人們利用，主要是通過風車來抽水、磨面等。風力發電是除水力發電技術外，新能源發電技術中最成熟、最具大規模開發和最有商業化發展前景的發電方式。

這幾年曠野、沿海地帶，或者高山附近的“大風車”越來越多，大家所說的“大風車”實際上是風電場的風力發電機組，風電場由風力發電機組、 輸變電線路、升壓站等部分構成。風力發電機組利用風力帶動風車葉輪旋轉，將風能轉化為機械能，發電機再將機械能轉化為電能，風力發電機組輸出的電能通過集電線路輸送到風電場升壓站，升壓站升壓后再輸送到電網，就變成了千家萬戶可以使用的清潔風電了。

“大風車”是風電場主要發電設備，基本結構由葉輪、機艙、塔筒和基礎等組成。以1.5兆瓦的風機機組為例，葉片就有35米長（相當于15層樓高），風機整體高度達到75米。風車每轉動一圈掃風面積可達5300平方米，相當于 13個標準籃球場那么大。

一般風速達到3m/s風車就可以旋轉發電，當風速達到25m/s風車為了保護自身安全會收槳停機。1.5兆瓦機組的葉片每轉動一圈可以產生約1.4度電，它一天的發電量可以供15個家庭使用一年。葉片的旋轉速度比風扇慢很多平均4～5秒轉一圈，葉尖時速卻可達到280多公里/小時，相當于高鐵的速度。

大家會注意到，大部分風力發電機都是三個葉片在轉動著，這是為什么呢？其實，科學家們做了很多復雜的理論計算和風洞實驗，來確定發電機葉片的形狀和葉片的個數。實驗證明，風輪的葉片不是越多越好，三葉風輪與兩葉風輪相比，運轉時的平衡性更好。與多葉風輪相比，三葉風輪的優點是輪葉自重較輕、葉片長度較長。綜合多種因素考慮，三葉風輪具有比較好的性能，風能利用率也比較高。

是不是風速越大，風電越多？根據能量守恒定律，理論上風速越大提供的電能就越多，但我們的風能轉換器在風速達到相當程度時會因為強度關系而損壞。如果葉片轉速過快，離心率大大增強，慣性趨勢會打破風機自身的平衡，葉片就容易折斷。因此，每種型號的風機都有最大轉速，當一定時間內的平均風速超過風電機組設計的最大安全承受風速（即切出風速）時，風電機組為保證自身安全，采用葉片空氣制動和機械剎車制動，使風機能夠在緊急情況下讓葉輪轉速逐漸降低至停止，待平均風速降低到切出風速以下時，風機會再次并網發電。當遇到緊急情況時，監控人員也可遠程操控使風機偏航，以減小葉片的受風面從而保護風機不發生危險。事實上，風機發電量不取決于葉片旋轉的快慢，在葉片恒定轉速的情況下，葉片受力增加，功率就會增加，風機的葉片越大，功率越大相應發電量就越多。

風力發電機組種類繁多，根據不同的劃分標準可以分為以下幾種類型：

按照機組容量來劃分：機組容量為0.1千瓦～1千瓦的為小型機組，1千瓦～1000 千瓦為中型機組，1兆瓦～10 兆瓦為大型機組，10兆瓦以上的為特大或巨型機組。

根據風力發電機的運行特征和控制方式分為：恒速恒頻風力發電系統和變速恒頻風力發電系統。恒速恒頻風力發電系統中，當風速發生變化時，風力機的轉速不變，導致輸出功率下降，浪費了風力資源，發電效率大大降低。而變速恒頻風力發電系統的轉速可變化，根據風速可適時調節風力機轉速，實現對風能最大限度的捕獲，系統的發電效率也大為提高。目前，國內外已建或新建的大型風電場中的風電機組多采用這種運行方式。

根據地域劃分，風力發電分為兩種：內陸風電和海上風電。相對于陸地，海上風力發電系統有更多優勢，發展空間幾乎沒有限制，可節約大量的土地資源;風切度小，可有效降低機組塔架高度，海上風電建設成本更低;海上的風能資源遠比陸上豐富，風速更高，發電量也相應顯著提升;同時，海平面摩擦力小，作用在機組上的荷載小，機組使用壽命可長達 50 年;噪聲、鳥類、景觀以及電磁干擾等問題對海上風電影響也相對較小;對生態環境基本無影響，綠色環保。

風力發電除了傳統的高塔、風車式樣的風力發電機，眼下，各國科研人員正在努力賦予風箏一項新的功能——讓它成為高空風力發電平臺。

能“發電”的風箏當然不是我們平時玩的風箏，這些發電風箏上面安裝著多種傳感器，采用高強度的輕質材料制成，面積大、重量輕、抗風能力強。風箏飄在天空時，幾乎垂直于風向，從而產生了最大的上升拉力，這種拉力就作用在放風箏的繩索上，然后繩索拉動固定在地面上的轉盤轉動，此時轉盤帶動發電機發來。

根據記載，早在19世紀初就有人用大型風箏來拉小火車，但是人們在1980年前后才開始著手研究風箏發電的可能性。風箏發電系統很復雜，比如，風箏將高空的風能轉化為機械能的同時，也是保持系統穩定的平衡器，但平衡運動與做功運動相互影響，因此設計出平衡與做功的最佳控制模式有很大難度。另外，碰到雷雨天氣，電站容易被“順繩索而下”的雷電擊毀。我們相信，在可預見的未來，“風電風箏”將會飛入高空，將那里更強勁、更穩定的風能“捕獲”回來。

◎ 來源|綜合新華網、山東省電力科學技術協會等