风力发电机一扇叶多重
大家有没有注意到一个现象,不管是风力发电机的叶片,还是家里用的风扇叶片都是三叶片,为什么呢?
理智告诉我们,肯定不是因为美观,如今风力发电机使用范围非常广,那必须要求其具有普适性,普适性包括很多方面,比如成本适中、安全性能得保证,效率还得高……
为此,科学家们大开脑洞研究过各种各样的风电设施,不仅有像飞鸟一样的“两叶片”,甚至还有光秃秃的“无叶片”?这些风电设备又是如何采风的?为何又最后都统一为三叶片了呢?
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风力发电机都是三叶片,有什么讲究吗?
风力发电机的运作原理就是把风能转化为机械能,再把机械能转化为电能供我们使用。
它在运转时,风从叶片经过带动其旋转,然后与之相连的转子转动,转子再带动发电机运作,从而产出电能,所以影响电能产出多少的关键因素就在于风力和风速,而把风能利用到最大化就是风叶的设计问题了。
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在漫长的发展过程中,人类肯定造过扇叶更多的风力发电设备,四叶、五叶以及更多都是有可能的。
但其实扇叶越多,挡住的风就越多,带动转子转动的风就越少,风力与风速成反比,而风力发电机的输出功率是风力和风速的乘积,因此就有一个最佳的叶片数让发电机输出功率最大。
然而,你以为这个答案就是三叶吗?其实不然,这个答案一般是四叶,所以素来以风车著称的荷兰,他们用来磨面粉的风车普遍以四叶为主。
那奇怪了,我们也是要追求风能利用最大化,为什么不直接跟着风车技术比较高的荷兰用四叶,要自成一派选三叶片呢?
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难道荷兰其实没能最大程度利用风能,他们一直以来都被四叶片“蒙蔽”了?其实也不是,事实上,经过很多专家精密计算后得出结论,四个叶片状态下风能的转化率确实是最高的。
这样的话又有一个新问题产生了,我们刚刚还说要追求效率尽量高,我们已经知道是四叶片的转化率最高了,那为什么放着四叶片不用要用三叶片呢?
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我们来举个小例子大家就很容易明白了,高中化学有一个必考的题型,给我们一个温度-转化率曲线图,图大概是这个样子:横坐标温度,纵坐标转化率,图中明确给了若干个温度,温度4和温度3相邻,温度4下转化率最高,温度3下的转化率比温度4略低一点点,但是温度4却比温度3高了几十度,问应该选择哪个温度更好。
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大多数人看到这里,或许会习惯性选择峰值最高的4,但正确答案却是3。
原因其实很简单,4虽然转化率达到了最高,但也只比3高了一点点,而转化率差不多的时候,3温度远低于4,如果选4的话只是徒增了成本,在化学反应里面提高10度都要增加不少成本,当然3才是最优的了。
在这个例子里面,3其实就是风力发电机选用的三叶片,4就是与之对比效率更高四叶片。
“不就一个叶片”?其实,算来算去,还真是这个叶片的问题。
这叶片可不便宜呢,例如一个30KW的风力发电机,其叶片仅长6.3米,售价却能高达2万元,花费多出那么多只为提高那么一丁点效率,真的不划算,毕竟在基建问题中,经济账也是咱们必须重视的。
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要成本再低的话直接选择双叶片设计不就行了,双叶片与三叶片相比,究竟输在哪里呢?虽然可以降低成本,但如果想要达到三叶片的效果,那么两叶片的风机就需要增加叶片面积的50%,而增加的面积费用和多一个叶片费用其实差不多,这样做可以说毫无意义。
或者可以将叶速提高22.5%,由于减少了阻力,两个叶片转起来就快多了,旋转速度的加快会伴随着噪音和震颤出现,这样就会对涡轮机造成损坏,更是得不偿失。况且,随着叶片旋转速度的加快,它们的表面质量会增加,中心轴和叶片需要更高的强度抵抗额外的压力,这又增加了成本,强风下双叶片也不稳定容易被摧毁。
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简单总结一下:与双叶片相比,三叶片可以在较低的转速下产生更多的动力,三叶片对强风的抵抗性能更好,安全性也就更高;三叶片稳定性、分散性比较强,叶片增多不仅这种平衡会被打破,成本也会增加,因此三叶片也比四叶片更具经济效益,因此在二和四之间,折中选择三更好。
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风力发电机,还能“无叶片”?
现在为止咱们对三叶风机了解已经差不多了,效率高、成本还算低,相比二叶和四叶的已经很不错了,但它本身也存在不少的缺点,比如视觉污染、野生鸟类受到威胁、产生噪音污染容易使癫痫病人发作、还容易使周围居民失眠甚至产生心理疾病、维修也困难…
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有句话说得好,“困难其实也可以变成一种机遇”,我们一般人永远也想不到,科学家竟然能想出“垂直轴风机”,垂直风机就不用处于太高的位置,专家建议这种风机就可以直接建在大城市的楼顶,既不占用土地资源,也没有刚刚提到的那些问题。
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广州能源研究所设计出了一台巨大的垂直轴风力发电机,这台发电机采用磁悬浮技术以减小摩擦,风速低至每秒1.5米都可以工作,全世界的同行都对此称赞不已。
不止我们国家在风力发电上努力,外国也一直在研究,澳大利亚的垂直轴风力发电机都已经走向屋顶了,在风速达到平均每小时30公里的情况下,大楼的风力发电机总功率将达到48千瓦,能满足该大楼所需能量的14%,要是大部分大楼都能安装上这种发电机,澳大利亚的用电就不用愁了。
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科学家脑洞可不止于此,他们还发明有一种可以说造福全人类的风机——微风风力发电机,这种风力发电机要求更低,每秒1米的风速就能工作,就不要担心有没有风了,而且这种微风发电机体积非常小,科学家直言“非常方便、轻巧,广大农村可以用起来”,是一种适用于家用的发电机,可供给家庭用电的50%,这个贡献已经不小了。
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有专门适用于微风的发电机,也有专门为大风设计的发电机,来自冰岛的一款风力涡轮发电机,在冰岛不仅温度极低,还伴随着持续而来的大风,这样极好的天然条件当然得利用起来,因为风大,所以产生的风能也是非常强大的,相比普通发电机,这款发电机能适应冰岛地区恶劣的天气,质量得到充足保证,并且在安装完后几乎不需要人员维护,其体积较小可以安装在屋顶上。
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还有很多设计其实都来源于大自然的启迪,牛顿坐在树下都能发现万有引力,我们看见秋天落下的枫叶就只是感叹悲秋,在科学家眼中,枫叶可不止是枫叶,旋转落地枫叶种子让英国科学家眼前一亮,掉下来会打转,科学家就运用这个原理设计了一台“枫叶发电机”,这个设计不仅很有创意,还很实用呢!
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生活中处处是科学,只要我们善于观察、发现,就能把普通的规律总结出来,第一个说出真理的人总是最厉害的,但其他人往往会说,这个我也知道,只是太正常不过了,大家都知道就没必要说,那我们都知道风力发电机都是三叶片的,一看就知道,可问为什么,有几个人回答得出来?不知道也没关系,不知道就多问,多问就多知,多知才敢多想,多想脑洞才能变大,才能为科学技术出一份力。
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