風(fēng)力發(fā)電的奧秘

自然界的風(fēng)，來無影去無蹤。在太陽光的照射下，各個(gè)地方的空氣因受熱不均勻而發(fā)生流動(dòng)，便產(chǎn)生了風(fēng)，風(fēng)能實(shí)際上就是空氣的動(dòng)能，是一種取之不盡的能源。

風(fēng)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(fēng)車來抽水、磨面等。風(fēng)力發(fā)電是除水力發(fā)電技術(shù)外，新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)和最有商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。

這幾年曠野、沿海地帶，或者高山附近的“大風(fēng)車”越來越多，大家所說的“大風(fēng)車”實(shí)際上是風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電場由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、 輸變電線路、升壓站等部分構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的電能通過集電線路輸送到風(fēng)電場升壓站，升壓站升壓后再輸送到電網(wǎng)，就變成了千家萬戶可以使用的清潔風(fēng)電了。

“大風(fēng)車”是風(fēng)電場主要發(fā)電設(shè)備，基本結(jié)構(gòu)由葉輪、機(jī)艙、塔筒和基礎(chǔ)等組成。以1.5兆瓦的風(fēng)機(jī)機(jī)組為例，葉片就有35米長（相當(dāng)于15層樓高），風(fēng)機(jī)整體高度達(dá)到75米。風(fēng)車每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈掃風(fēng)面積可達(dá)5300平方米，相當(dāng)于 13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場那么大。

一般風(fēng)速達(dá)到3m/s風(fēng)車就可以旋轉(zhuǎn)發(fā)電，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到25m/s風(fēng)車為了保護(hù)自身安全會(huì)收槳停機(jī)。1.5兆瓦機(jī)組的葉片每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈可以產(chǎn)生約1.4度電，它一天的發(fā)電量可以供15個(gè)家庭使用一年。葉片的旋轉(zhuǎn)速度比風(fēng)扇慢很多平均4～5秒轉(zhuǎn)一圈，葉尖時(shí)速卻可達(dá)到280多公里/小時(shí)，相當(dāng)于高鐵的速度。

大家會(huì)注意到，大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是三個(gè)葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)著，這是為什么呢？其實(shí)，科學(xué)家們做了很多復(fù)雜的理論計(jì)算和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，來確定發(fā)電機(jī)葉片的形狀和葉片的個(gè)數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，風(fēng)輪的葉片不是越多越好，三葉風(fēng)輪與兩葉風(fēng)輪相比，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的平衡性更好。與多葉風(fēng)輪相比，三葉風(fēng)輪的優(yōu)點(diǎn)是輪葉自重較輕、葉片長度較長。綜合多種因素考慮，三葉風(fēng)輪具有比較好的性能，風(fēng)能利用率也比較高。

是不是風(fēng)速越大，風(fēng)電越多？根據(jù)能量守恒定律，理論上風(fēng)速越大提供的電能就越多，但我們的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器在風(fēng)速達(dá)到相當(dāng)程度時(shí)會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度關(guān)系而損壞。如果葉片轉(zhuǎn)速過快，離心率大大增強(qiáng)，慣性趨勢會(huì)打破風(fēng)機(jī)自身的平衡，葉片就容易折斷。因此，每種型號(hào)的風(fēng)機(jī)都有最大轉(zhuǎn)速，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速超過風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的最大安全承受風(fēng)速（即切出風(fēng)速）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組為保證自身安全，采用葉片空氣制動(dòng)和機(jī)械剎車制動(dòng)，使風(fēng)機(jī)能夠在緊急情況下讓葉輪轉(zhuǎn)速逐漸降低至停止，待平均風(fēng)速降低到切出風(fēng)速以下時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)再次并網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，監(jiān)控人員也可遠(yuǎn)程操控使風(fēng)機(jī)偏航，以減小葉片的受風(fēng)面從而保護(hù)風(fēng)機(jī)不發(fā)生危險(xiǎn)。事實(shí)上，風(fēng)機(jī)發(fā)電量不取決于葉片旋轉(zhuǎn)的快慢，在葉片恒定轉(zhuǎn)速的情況下，葉片受力增加，功率就會(huì)增加，風(fēng)機(jī)的葉片越大，功率越大相應(yīng)發(fā)電量就越多。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組種類繁多，根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以分為以下幾種類型：

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

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制方式分為：恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，導(dǎo)致輸出功率下降，浪費(fèi)了風(fēng)力資源，發(fā)電效率大大降低。而變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速可變化，根據(jù)風(fēng)速可適時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能最大限度的捕獲，系統(tǒng)的發(fā)電效率也大為提高。目前，國內(nèi)外已建或新建的大型風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組多采用這種運(yùn)行方式。

根據(jù)地域劃分，風(fēng)力發(fā)電分為兩種：內(nèi)陸風(fēng)電和海上風(fēng)電。相對(duì)于陸地，海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有更多優(yōu)勢，發(fā)展空間幾乎沒有限制，可節(jié)約大量的土地資源;風(fēng)切度小，可有效降低機(jī)組塔架高度，海上風(fēng)電建設(shè)成本更低;海上的風(fēng)能資源遠(yuǎn)比陸上豐富，風(fēng)速更高，發(fā)電量也相應(yīng)顯著提升;同時(shí)，海平面摩擦力小，作用在機(jī)組上的荷載小，機(jī)組使用壽命可長達(dá) 50 年;噪聲、鳥類、景觀以及電磁干擾等問題對(duì)海上風(fēng)電影響也相對(duì)較小;對(duì)生態(tài)環(huán)境基本無影響，綠色環(huán)保。

風(fēng)力發(fā)電除了傳統(tǒng)的高塔、風(fēng)車式樣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，眼下，各國科研人員正在努力賦予風(fēng)箏一項(xiàng)新的功能——讓它成為高空風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)。

能“發(fā)電”的風(fēng)箏當(dāng)然不是我們平時(shí)玩的風(fēng)箏，這些發(fā)電風(fēng)箏上面安裝著多種傳感器，采用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料制成，面積大、重量輕、抗風(fēng)能力強(qiáng)。風(fēng)箏飄在天空時(shí)，幾乎垂直于風(fēng)向，從而產(chǎn)生了最大的上升拉力，這種拉力就作用在放風(fēng)箏的繩索上，然后繩索拉動(dòng)固定在地面上的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)來。

根據(jù)記載，早在19世紀(jì)初就有人用大型風(fēng)箏來拉小火車，但是人們在1980年前后才開始著手研究風(fēng)箏發(fā)電的可能性。風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)很復(fù)雜，比如，風(fēng)箏將高空的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的同時(shí)，也是保持系統(tǒng)穩(wěn)定的平衡器，但平衡運(yùn)動(dòng)與做功運(yùn)動(dòng)相互影響，因此設(shè)計(jì)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(yù)見的未來，“風(fēng)電風(fēng)箏”將會(huì)飛入高空，將那里更強(qiáng)勁、更穩(wěn)定的風(fēng)能“捕獲”回來。

◎ 來源|綜合新華網(wǎng)、山東省電力科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)等