风力发电的原理相当简单:借助风力驱动涡轮机的螺旋桨叶片,使其围绕转子旋转,进而带动发电机转动,最终将风能转化为电能。
利用风能产生机械动力的历史可追溯至数千年之前。早在公元前5000年,埃及人便利用风能推动尼罗河船只。的殖民者则依赖风车在锯木厂中助力磨谷物、抽水和伐木。现今的风力涡轮机可谓是现代的风车,它高效地将风能转化为清洁、可再生的电力。
风能在古代便是重要的能源,用于灌溉、磨谷物及推动海上运输。我们是否真正理解风能及其作用原理呢?风能实质上是风的能量来源,它因地球大气中气团间的温度差异而产生,因此可以说是太阳能的一种表现。当温度较高的空气向温度较低、密度较大的区域扩散时,我们可以说风是太阳能的一种间接表现。尽管只有极少部分的太阳能转化为风能(仅占2%),但风能的潜力却是巨大的。
风是一种永久且可再生的资源,因为地球上的气流不断循环形成。风力涡轮机在风速介于5至25米/秒的范围内工作最为有效,尽管只有极小一部分的太阳能转化为风能,但其潜力不容小觑。
那么,如何将风的能量转化为可利用的风能呢?这一切都要归功于风力涡轮机及其组成部分。包括发动机舱、叶片、轮毂以及各种导引、控制、支持和接地系统。特别值得一提的是叶片,它是捕获风能的关键部件,能够将风的能量传输到轮毂,并进一步传递到涡轮机的主轴。
风力涡轮机的核心部分是吊舱,被誉为风力涡轮机的“大脑”,因为其中包含了发电机、控制系统以及冷却电风扇。旋翼叶片和机舱由一个高耸的塔支撑,它的主要功能是将风力涡轮机抬升至足够的高度,以捕捉到更快速且更少湍流的风。电力通过地下电缆网络与变电站连接,然后注入电网供应给千家万户。
当代的风力涡轮机功率从2MW至3.5MW不等,塔高则从90米至140米。它们的效率相较于过去的风力涡轮机有了显著的提高。
无论是“风能”还是“风力”,都是指利用风的能量来产生机械动力或电力的过程。这种机械动力可以用于各种任务(如磨粮或抽水),或者通过发电机转化为电力。
风力涡轮机的叶片如同螺旋桨般捕捉风的能量。当风吹过时,叶片的一侧会形成低压气袋,吸引叶片并导致转子转动。这一过程被称为升力。升力和阻力的共同作用使转子像螺旋桨一样旋转。
通过一系列的齿轮装置,转子的转速从每分钟18转提升至每分钟1800转,这个转速足以驱动涡轮发电机产生交流电。
风力涡轮机的发动机舱是一个流线型的外壳,内部包含了涡轮的关键部件,如齿轮、转子和发电机。一些大型的发动机舱甚至大到足以让直升机降落。
控制器的存在是另一个关键因素,它能够保持转子的速度在合适范围内,避免大风对其造成损害。风速计持续监测风速并将数据传输给控制器。在紧急情况下,机舱内还装有制动器,可以通过机械、电力或液压方式停止转子。
如今,风力涡轮机被广泛应用于各种场合——从利用海上风力资源到为单个家庭提供电力。
大型的风力涡轮机常被公用事业公司用于电网供电,其功率范围广泛从100千瓦到几兆瓦不等。这些大型的涡轮机经常被放置在风力发电场中以产生大量的电力。而小型的风力涡轮机则与柴油发电机、电池和光伏系统相结合使用在偏远离网地区。