来聊聊风力发电这回事

作者：郭光星（中国科学院工程热物理研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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俗话说“水能载舟亦能覆舟”，作为水的孪生兄弟，风的性格也是如此”爱憎分明”，在它性情温顺的时候，也还是能给我们创造出大量的财富的，比如发电。那么，什么样的风车能驾驭这桀骜不羁的风，心甘情愿地为我们发电呢？

风电——新能源的先行军

我们平常用到的电是哪儿来的？大家首先就会想到火电和水电。即使现在一直在倡导绿色清洁能源的理念，但是核电、风电显然还不足以撼动传统能源的地位。不过，《全球可再生能源现状报告2018》表明，2017年可再生能源发电已占到全球发电量净增加值的70%。这是现代历史上可再生能源发电量增长最大的一年，也意味着将来可再生能源将逐渐占据传统能源的份额。

全球可再生能源容量(来源于《全球可再生能源现状报告2018》)

全球风能容量及年增长量(来源于《全球可再生能源现状报告2018》)

21世纪以来，风电就作为新能源的先行军，默默地扎根在了陆地的偏僻角落，在沿海区域也迅速建立起了“捕风根据地”，风电站工作在这些远离人烟的区域，以至于大多数民众并没有意识到它们的存在，而它们早已呈现出星火燎原的强劲态势。

提到风力发电，也许眼前首先会浮现出别具特色的荷兰风车。而荷兰风车的作用主要是抽吸海水，并不能够发电。

荷兰风车

20世纪，人类才开始进行风力发电的尝试。不过，风力发电机为什么长成这样？什么样子的风车才适合发电？

风力发电机

叶片的奥秘

大家看到风力机的时候，脑子里也许闪过很多疑问：为什么它们都是三个叶片的呢，并且叶片又那么细长，它们之间的空隙那么大，风都从中间溜走了，风能利用的效率岂不是很低？

现在主流的风力发电机的样式

毫无疑问，理想状况下，安装的同样叶片数目越多，它总体提供的升力就会越大，而这股强劲的动力非常适合抽取地下水，在反映美国西部农场生活的电影中，经常出现这种用于灌溉农作物的多个叶片风力机。而对于发电来说，风轮并不需要过大的动力，对于发电机来说，风轮旋转产生的转矩只要能够平衡后端发电机的电磁转矩，并使风轮保持在一定的转速范围内就可以了。

美国西部农场用于灌溉的风力机

实际上，发电机电磁转矩非常有限，一个叶片就完全可以提供相应的动力，但是单个叶片会导致风轮的载荷极度不平衡，同样的道理，两个叶片也会产生一些的不稳定性，这样的受力特性对于需要长久稳定运行的叶片来说是非常不利的，所以风力发电机通常采用三叶片的形式（当然也存在着少量两叶片形式的风力机）。虽然叶片的数目直接导致了升力的大小，但是它对风能的利用效率却没有显著的影响。风力发电机旋转的叶轮构成了一个圆盘，根据动量守恒的原理粗略地进行计算，叶片数目和风能利用效率没有直接关系。不过叶片数目过多会干扰叶片之间空气的稳定流动，使得气流不均匀，这反而导致风能利用效率的下降。

风电机旋转的速度那么慢，能发电吗？的确，风力机即使在额定状态时每分钟的转速也只有十几转，平常我们看到的柴油发电机的转速大多是3000转/分钟。不过风力机机舱中安装的发电机也绝不是普通的发电机，它们大致可以分为两类：一类是永磁直驱型发电机，发电机由多对磁极构建了一个磁场，所以即使在很低的转速下也能达到额定的发电状态；另一类是双馈异步型发电机，它需要连接在前方增速齿轮箱的后面，将转速提升后才能正常工作。现在的陆地风力发电机组的额定功率普遍达到了2MW，也就是说不论是哪种类型，别看它们转起来慢悠悠的，它旋转一圈大约可以产生两度电。

不需要使用齿轮箱增速的直驱型风力发电机

需要使用齿轮箱增速的双馈型风力发电机

水电机能不能改造成风电机？

“高峡出平湖”，以三峡为代表的水电技术不是发展得十分成熟了吗？水电也好，风电也好，原理都是水或是风推动叶轮旋转，带动发电机产生电能，借鉴三峡大坝里水轮机的样式，稍微修改一下能用于风力发电机吗？

当然不可以！

的确，水和空气的密度虽然有很大差异，但二者都是流体，许多物理性质却是十分相似的。而二者本质上的不同体现在叶轮捕获能量的方式上：水轮机利用静止水的势能，它的叶片截面是一定厚度的曲线，通过吸收水流的冲击来推动叶轮旋转；而风力机利用空气的动能，它的叶片截面是向外凸的翼型，空气绕过翼型产生升力推动叶轮旋转，也就是说风力机和飞机机翼的原理是更为相似的。虽然风力机和水轮机的原理不一样，但把水轮机的叶片装到风力机上能发电吗？

三峡大坝

翼型产生升力的原理图

回头看看你身后的电风扇，它如果用来发电的话和水轮机是很相似的。电风扇既然可以把电能转化为风能，是不是也可以把风能转化为电能呢？这之间可不存在电与磁那紧密的联系，也不能类比于化学中的可逆反应，风能与电能的转化方向只用电风扇是很难来实现的。电风扇使叶轮快速旋转强迫空气流动产生风，而风力机的叶轮则要尽量多地去捕获风能。

采用电风扇的样式制作的风力机当然也是可以旋转的，动手来验证一下：用一个电风扇对着另外一个未接通电源的电风扇吹风，可以明显观察到，未通电的电风扇旋转地格外缓慢，原因就是它的旋转依赖的是风在叶片上的阻力作用，而没有翼型产生的升力作用。想想我们小时候折的纸风车，尽管它也会“吱呀吱哟哟地转”，但在原理上和未通电的电风扇一样，都属于阻力型风力机。由于阻力型风力机的能量利用效率普遍低于升力型风力机，因此并不用于大规模发电中。不过在一些风光互补路灯的顶部，还是可以看到它们柔美灵动的身影。

风光互补路灯

结语

总体来说，虽然风车的形式多种多样，甚至很多奇特的造型都可以在风的推动下进行转动，但只有旋转是远远不够的，更要考虑到能量的利用效率以及和下游发电机的匹配。因此，现在普遍存在的风力发电机的形式在目前来说是最有利于发电的。

回到“台风发电”的问题，很多人都认为只有在风大的地方才能建造风力机进行发电，其实风并不是越大越好，出于安全考虑，10级以下的台风才可能被利用来发电，一旦风速超过25m/s，风力机就要停机了。风力机在3m/s的风速下就可以运行了，并且现在的机组已经完成了向低风速型进行过渡的技术转变，在年平均风速较低的地区也有可能获得可观的发电量。