在廣闊的田野上，浩蕩的海水里，潔白的風車筆直挺拔，三個像飛機機翼一樣的扇葉悠閑地轉動。這慢悠悠的速度卻能為整個地區(qū)供電，它是怎么實現的呢？
風力發(fā)電機的原理
以水平軸式三葉片風輪為例。
風車前端的三個大型葉片受風力作用開始轉動，帶動輪轂連著主軸，將扭矩傳給齒輪箱，大齒輪緩慢轉動，又帶動小齒輪快速轉動，產生增速作用，小齒輪驅動發(fā)電機中的轉子在一個線圈內旋轉而切割磁感線，根據電磁感應原理產生了電流。
電流通過電機塔內的電纜進行傳輸，并導入底部的變壓器，電流又被轉換為較高的電壓，可以進行較長路途的傳輸。為了日常用電，再被降壓為較低的電壓，從這個過程中可以看出葉片的旋轉速度與電量沒有直接關系。
葉片為何轉得慢
因為葉片的重量較大，根據公式可以得到結論：如果轉速不變，扭矩越大，功率則越高。
以常見的水平軸風力發(fā)電機為例，葉片越長，旋轉的扭矩就越大。葉片的寬度則關系到橫掃的空氣面積，寬度越大，對風能的利用率越高。用1.5兆瓦風機來舉例，葉片長達60米，葉片的重量約6噸，每分鐘大約轉18圈，其重量是0.75兆瓦風機葉片的1.8倍，轉速只有3/4那么多。
為何不采用小葉片
一、轉速快了，利用率就低了
如果把葉片做得小巧些，迎風面積減少了，轉速雖然快，但是利用率低，產生的電量自然就少了。如果增加小風機的數量來增加電量，成本就變高了。但風機也不能設計地太大，于是經過科學測算，就有了現在所用大小的風機。
二、葉片轉速過快會損傷風機
風速大，葉片轉地快，發(fā)電量產生的也就越多。但是葉片重量較大，高速運轉會產生一股強大的離心力，長時間的高速度離心運動會磨損葉片，速度太快還會導致葉片產生慣性，讓發(fā)電機失去平衡。轉速過快，風力發(fā)電機的支撐柱可能會斷開，甚至可能會出現葉片折斷、機艙過熱著火等情況，大大增加了維修費用。如果配件從高空墜落，還會造成人員傷亡。
用兩輛同樣品牌性能的汽車來解釋說明磨損原理：一輛時速30/km的車和一輛時速160/km的車，遇到緊急停車時，時速快的車子容易偏移，就會較大地磨損剎車片。因此葉片轉動慢，可以保護風機，使其保持長期且穩(wěn)定的速度運轉。并且在遇到強勁風流的時候，內部就會開啟保護模式，停止工作，終止發(fā)電。
三、轉速過大會影響風能利用率
風機的轉速如果為零，肯定無法把風能轉化為電能。設想一下，如果轉速變得無限大時，葉片飛速轉動就會形成一個圓形的板面從而將迎面的風擋住，導致無法利用風能。只有風機葉片保持最佳轉速時，風能利用率最高，當轉速超過限定值時，電子控制器就出現干擾，頭部的制動器強行阻止葉片轉動。因此每個款式的風機都有最大轉速，一旦發(fā)現風速過快，就會有控制系統(tǒng)停止風機工作。
四、低速轉動可轉化成高速
風機的葉片隨風轉動時，會帶動內部的大齒輪一起轉動，大齒輪帶動小齒輪，使小齒輪轉動速度變快，就像一個變速箱。我們從外部看，覺得葉片轉動速度很慢，但實際上在機艙內部，由變速箱拉著發(fā)電機快速旋轉。在風力的作用下，葉片每分鐘不超過30轉，但在增速機的運作下，發(fā)電機的齒輪可以達到每分鐘1,500轉，大約提高了50倍。所以有了變速箱，葉片轉速再慢，也能保證電機正常運行。
風機葉片轉動一圈，能發(fā)多少電
2023年研制的18兆瓦風機液輪直徑達到了260米，掃風面積約5.3萬平方米，一臺機組每轉一圈就能夠產生44.8度電，每年可產出超過7,400萬度的電能，同時滿足4萬戶家庭一年的用電量。
因此風機遠遠看上去轉得緩慢，但實際上內部“快馬加鞭”、飛速運轉，制造出源源不斷的電量，輸出到周圍各行各業(yè)和千家萬戶?？傊L資源是大自然饋贈的禮物，它是取之不盡、用之不竭的。
風能發(fā)電相對于傳統(tǒng)發(fā)電模式更節(jié)約成本、綠色環(huán)保，非常值得我們推廣和使用。但是目前風機的調控和維護技術有待提高，人力成本較大。下一步我們要持續(xù)加強科技研發(fā)，通過人工智能改進發(fā)電機內部配件，隨時檢測風速和風機的狀態(tài)，調整方向和速度，發(fā)現故障與預測問題，優(yōu)化運行，從而提高發(fā)電效率和經濟效益。
本文根據首屆“沈括杯”科普短視頻創(chuàng)作大賽獲獎作品整理
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