风力发电机工作原理 风力发电系统结构图解

我们在日常的生产活动中都离不开电，充足的电力供应是一个国家和地区经济增长的重要前提条件。在全球“石化能源”越来越缺乏，对环境的污染不断加剧的背景下，我国作为能源使用大国更是体现了大国担当的格局，在向全世界郑重宣布“碳中和”，“碳达峰”的目标下，作为新能源中的风力发电迎来了它的高光时刻。我们看见那不断转动着大大叶片的风车其实就是风力发电机，那么小伙伴们知道它的工作原理吗？

风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。广义地说，风能也是太阳能，所以也可以说风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。风力发电机组由叶轮、机舱、塔筒等基础部件组成。

风力发电系统结构图

它的发电原理很简单：机组利用风力带动风车叶轮旋转，将风能转化为机械能，发电机再将机械能转化为电能，然后电能通过集电线路输送到风电场升压站，升压后再输送到电网，就可以变成千家万户使用的清洁风电了。这一过程就好比我们小时候玩的手摇发电手电筒，使劲地摇几下，手电筒就会亮一会。

很多小伙伴可能会好奇，风车叶子转一圈，能发多少度电？在一般情况下，风速只要达到3米/秒，风车就可以旋转发电。目前主流风机的单机容量从1.5兆瓦到10兆瓦不等，未来可能会更大，相对来说小容量的都在陆地上，大容量的都在海里。当然，容量越大，同等情况下发电越多。以2兆瓦的风力发电机组为例：叶片长50-60米左右，以额定转速运行，转动一圈约4秒钟，叶尖速度可达280多公里/时，堪比高铁速度，叶轮转动一圈约发2.2度电。

那么，风力发电是不是风越大越好呢？我们根据能量守恒定律知道，风速越大提供的电能的确是越多，但当风速超过风机限定速度时，风机就要停止工作。因为如果转速过快，离心率大大增强，惯性趋势会打破风机自身的平衡，叶片就容易折断。而且事实上，发电量不取决于叶片转速。因为风力发电机机组中存在一个类似汽车变速箱的装置，比如变速箱挂到1档，那么即使叶片转速非常快（相当于油门踩到底），但通过变速箱传动到发电机装置当中仍然是较为恒定的低速，有了这么个装置，便对叶片起到了保护的作用。而在叶片恒定转速的情况下，叶片受力增加，功率就会增加，风机的叶片越大，功率越大，相应发电量就越多。

我们知道风力发电有陆上和海上之分，那么这两者有什么差别呢？一般来说海上风电场是陆上风电场建设成本的两倍，运维费用是陆上风电场的2-4倍。这主要是由于海上施工条件差，施工难度高，再加上海上风电远离岸边，台风、风暴潮等不利海况也会对风电运维造成较大影响。虽然说海上风电场前期投入比陆上风电场大，但是大海广袤无垠，具有丰富的风能资源，海上风电发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源，适宜大规模开发，发电效率普遍比陆上风电高出20%-40%。

陆上和海上风电场

风力发电与常规发电相比，具有能源充足、不消耗燃料、无环境污染、占地面积小、工程建设周期短、发电技术成熟等优点。虽然前期投入较大，但相比水电和火电，后期维护、管理费用极低，是目前新能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展的发电方式之一。当然它的缺点也很明显：受地域影响大，风力发电机只适合风力大的地方，在无风地区便不起作用。

编辑：黄飞