一個50米長的風力渦輪機葉片有10噸重。它從外面轉得很慢,但里面卻高速旋轉,最高可達每分鐘 1500 轉。強風不是好事,風電機組必須停機保護,發電與葉片速度無關。為什么風力大時風力發電機會停機,而發電與速度無關?
如果葉片速度過快,相應的保護機制就會失效,如圖所示,發電機會在高溫下著火并冒出濃煙。巨大的葉片將煙霧變成螺旋狀,非常危險。最終,整個發電的有機成分瓦解。
世界可利用的風能為2×10^7MW,是可開發水電的10倍。我們經??吹斤L力渦輪機在海上、陸地和高山上緩慢旋轉。它大約是每分鐘 19-30 轉。你有沒有疑惑,這么慢的旋轉能發電嗎?我們通常看到的水力發電機或汽油發電機的轉速是非??斓?,但實際上我們看到的只是外觀。
風力發電機非常龐大,如丹麥的V164風力發電機,高220米,每片葉片長80米。世界上功率最大的風力發電機一天可發電26萬千瓦時,可為100戶家庭提供30天的電力供應。
一般來說,風力渦輪機越大,葉片越重,速度越慢。葉片非常類似于飛機的機翼。例如風力發電機葉片尺寸,1.5 MW 風力渦輪機葉片重 6 噸風力發電機葉片尺寸,每分鐘旋轉 18 次。通常,在 600 千瓦的風力渦輪機上吊車出租,葉片長 20 米。風力發電機的低速軸將葉片和齒輪箱連接在一起,葉片旋轉非常緩慢,一般為每分鐘19-30轉。在低速軸的中間,有一個供液壓系統啟動氣動制動器的管道。
變速箱就像汽車的變速箱。它連接低速軸旋轉,然后帶動高速軸,可使高速軸的轉速比低速軸提高50倍,一般為每分鐘1500轉。原理很簡單,就是大齒輪轉1圈,小齒輪轉50圈。所以從表面上看,風力發電機旋轉很慢,但內部實際上旋轉得很快。
當風速超過風力機規定的最大速度時,必須停止工作,鎖定的葉片將不再旋轉。如果轉速過快,偏心會增大,慣性會破壞風扇的平衡,葉片也會被折斷。不同功率和品牌的風力渦輪機都有一個最大速度。當強風來襲時,它會停止旋轉,減少自身慣性造成的損壞和磨損。
如果臺風來襲,中央控制器將停止所有風力發電機,葉片將與風向對齊二手吊車,葉片將俯仰至順槳角,因為這種方式產生的軸向扭矩和推力最小。傳動鏈中的機械制動盤被鎖定。這是第二份保險。其他人只能聽天由命,因為風吹的太大了。
風力發電機產生的功率不僅與轉速有關,還與轉矩有關,功率=轉矩×轉速×K,當轉速小時,通過增加轉矩,也可以增加發電量。因此,為了延長鼓風機的壽命,葉片轉速不能太快,因為高強度的離心運動會損害葉片壽命。
因此,風扇轉得越快,發電效率就越高,但有一個上限。達到上限后,發電效率仍然會隨著速度的加快而提高。輸出功率接近風的動能后,風扇轉速和額定功率沒有必然關系,所以在某種程度上,發電量與葉片的轉速無關。并不是它轉得越快,它產生的功率就越大。