老式电风扇都是由三个叶片组成的。
(资料图片仅供参考)
前些日子,家里的老电扇终于坏了,于是新买了一台,这台风扇不再像传统的电扇那样只有三个叶片,而是由许多小叶片组成,这样设计似乎的确比传统电扇好看多了,同时,这也使我想到了另一个问题,那就是用于风力发电的风力电机,毫无例外全部都是由三个叶片组成的,这是为什么呢?能量是不可能凭空产生的,所以风力发电也并不是凭空创造电力,它只不过是将能量进行了一次转化,把风能转化成了电能。既然是能量的转化,那就必然涉及到一个问题,就是转化效率。风能转化率的高低与两个因素是密切相关的,一个是风力,一个是风速。
风能转化功率等于风力乘以风速。
现在我们假设我们的风力电机拥有众多的叶片,多到组合成为了一个密不透风的圆盘,此时的风能转化功率如何呢?基本为零。因为当风力电机成为一个密不透风的圆盘时,的确能够让作用在圆盘上的风力达到最大,但没有风可以通过圆盘,只能从圆盘四周绕行,所以作用于圆盘上的风速就为零。任何数字乘以零都得零,所以即便风力再大,没有风速,也没有办法实现转化。可见,要让风能转化为电能,就必须要减少叶片的数量,让风能够快速通行,而随着叶片数量的减少,风速会逐渐提升,作用在上面的风力会逐渐减小,要实现最大转化功率就必须要找到一个平衡点。
现在你一定会想,风力电机都是三个叶片,那么一定是因为在三个叶片的状态下,风能转化功率是最高的,还真不是。
事实上,计算表明在四个叶片的状态下,风能转化功率才是最高的。既然如此,为什么风力电机都是三个叶片,而不是四个叶片呢?当我们遇到一个问题的时候,如果无法在科学原理中找到答案,那么答案就一定与另外一个因素有关,那就是钱。风力电机可不是电风扇,它在工作的时候要承担极大的力和弯矩,所以制作材料必须过硬。现代大型风力发电机的叶片通常使用钢管或D型型钢做纵梁、钢板做横梁,内部要填充泡沫塑料看,外部还要覆上玻璃钢蒙皮。
风力电机的叶片造价不菲,所以多加一个叶片,成本就会直线上升。
在很多人的认知中,风力发电就是白嫖,毕竟风是不要钱的,不用白不用,但实际上风力发电也是要计算成本的,其中既包括风力电机的制造成本,也包括使用过程中的维护成本。既然多一个叶片,成本就会提升很多,自然要计算一下值不值得,显然,结果是不值,所以三个叶片就成为了风力电机的标配。三个叶片是风力电机的一个主要特点,除此之外,风力电机还有另外一个特点,那就是“慢”。不管建设在哪里,也不管风力大小,风力电机的转动速度总是慢悠悠的,这又是为什么呢?
一般风力电机的转动速度大概为每分钟7到12圈,以常识来判断,这个转速是怎么也发不了电的,事实上也的确如此。
如果要让风力电机实现发现就必须要在内部安装一套齿轮机构,以此来提高它的转速。通过齿轮机构的变速,风力电机的内部转速通常都可以达到每分钟1500转以上,提升幅度还真是不小。现在问题来了,既然需要高转速,为什么不直接让风力电机的叶片转得快一些呢,非要用一套齿轮机构进行二次变速?转得快,对于叶片的强度要求就高,所以限制它的速度,一方面的原因就是为了避免损坏,但这不是主要的原因。
风能转化效率与作用在风机上的风力和通过风机的风速有关,而风力和风速又与叶片的数量有着直接的关系,不过这里所说的“叶片数量”需要用运动的眼光来看。
风力电机虽然只有三个叶片,但如果转动速度提升,那么实际效果便可以等同于多个叶片。比如,当风力电机的转动速度非常快的时候,那么它便成为了一个可以完全将风阻隔的圆盘,此时风速又为零了,风能也就无法转化为电能了。可见,只是给风力电机安装三个叶片还不够,还要保证在转动的过程中,它的实际效果始终为三个叶片的效果,而不会因为转得太快,而变为四个、五个或更多的叶片。
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