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--熱烈祝賀我會聯辦的科普活動被中國科協評為--優秀科普活動
12月21日,中國科學技術協會辦公廳印發《關于對2020年全國科普日有關組織單位和活動予以表揚的通知》(科協辦函普字【2020】158號),江蘇省機械工程學會、南京工程學會和江蘇省學會服務中心聯辦的“2020年全國科普日暨第一屆‘天印筑夢·科普智行’”活動,被評為優秀科普活動。
現在比較主流的清潔能源發電方式有水利風力,還有太陽能,而這三種發力方式中水利已經相當成熟,并且發電效率也十分迅速,適用于大部分地區,而對于一些建設堤壩和河道比較困難的地方來說,用水力發電這種方式顯然就是不適用的,不僅成本過于高昂,同時轉化率也不高。而風力發電這種方式主要是應用于一些比較空曠的西北地區在這里建立風力發電場之后,就可以憑借天然的風力能源來進行發電。
說到風力發電,不少人都會覺得挺有意思。我們都知道,每個風能發電機上面都裝有三個扇葉,看起來像個大風車,造型奇特,這些扇葉在轉動時并不會非常迅速,所以有的人就覺得它轉一圈所產生的電能是很少的,那你知道這些大風車轉動一圈到底能產生多少電嗎?
很多人可能在想,如果風力不是持續不斷并且保持一定強度的話,這種發電方式起步就很不靠譜嗎?萬一有一段時間一直都沒有風,那么豈不是就會讓這個發電廠停轉,事實上我們國家有許多地方是整天都會有大風的,并且這些風車的結構也會建設得利于這些發電設備的運轉。而很多朋友都好奇的這些發電機的功率方面其實也并不是太差,首先這種風能是完全無害的,他不管是在發電之前還是發電之后都不會產生對環境有害的物質,其次就是它的發電功率,相對來說也比較穩定,一般這種發電機大概一個小時左右可以發電2000度,而扇葉轉過一圈的時間大概是3秒多,60分鐘的時間平均算下來每秒鐘可以發0.56度電,那么它每轉一圈就可以發電1.94度了。這種發電機雖然單個功率看上去并不是那么高,但是發電機數量達到一定程度之后,每小時能夠提供的電量對于當地的人們使用來說是足夠的。
根據風能發電機的旋轉軸不同,風能發電機又分為水平軸風力發電機,和垂直軸風力發電機兩種,而風力發電機發電的原理其實很簡單,就是風吹動了風能發電機的巨大葉片產生了動能,然后通過內部的發電機轉換成了電能,在這轉化的過程中,并沒有產生什么有害物質,所以可以很好的保護地球的環境。
在所有的風能發電機中,根據風能發電機的功率大,風能發電機每轉動一次產生的電能也各不相同,比如最為常見的2MW的直驅型風能發電機,在風能充足穩定的情況下,風力電機每60分鐘就能形成2000度的電,而扇葉每轉一圈需要3.5秒的時間,60分鐘也就是3600秒,所以發電機每秒形成的電量就是0.56度,那么風能發電機的風扇每轉動一圈所產生的電量就是0.56×3.5秒,也就是1.94度電。
風力發電機是將風能轉換為機械功,機械功帶動轉子旋轉,最終產生電能的電力設備。丹麥的V164,高達220米,上面安裝有3個巨型葉片,每個葉片長達80米。一天24小時能發電26萬度,足夠滿足數百戶家庭1個月的用電量。
但是問題來了,我們平時看到的風機轉得這么慢能發電嗎,發電量真的有那么多嗎?
大家都玩過手搖發電手電筒吧,使勁的搖幾下,手電真的能亮一會,但是持續的時間并不長。當然,風機并不同于這種手搖玩具,它真的在發電!
其實,風機葉片轉速慢的原因很簡單,這跟自身的重量以及風速有很大關系。越大型的風機,葉片越長,重量越大,轉得越慢。1.5兆瓦風機葉片重約6噸,是0.75兆瓦風機葉片的1.8倍,但每分鐘才轉18圈,只有0.75兆瓦風機的3/4。風機葉片的轉速跟風速也有很大關系,風速越快,風機轉得越快。1.5兆瓦風機在風速達到3米每秒時,就可以通過轉動齒輪提高轉速,從而帶動發電機發電。
那么,風機葉片轉速能不能隨著風速的增加而無限增大呢?那肯定不是。
當風速超過風機限定速度時,風機就要停止工作。因為如果轉速過快,離心率大大增強,慣性趨勢會打破風機自身的平衡,葉片就容易折斷。
因此,每種型號的風機都有最大轉速。當風速過快時,就需要后臺操作電腦,停止運行風機,減少自身慣性帶來的破壞和磨損。這就相當于兩輛相同的汽車,一輛速度是30千米每小時,一個200千米每小時,哪個剎車更容易一個道理。所以,扇葉轉動慢能更有效保護風機不受傷害。
事實上,風機發電量不取決于葉片旋轉的快慢。在葉片恒定轉速的情況下,葉片受力增加,功率就會增加。風機的葉片越大,功率越大,相應發電量就越多。比如,1.5兆瓦風機在滿功率發電的情況下,一小時能發1500度電。以一個三口之家在夏季高峰季平均每天用30度電計算,差不多能用50天。
風力發電的種類
盡管風力發電機多種多樣,但歸納起來可分為兩類:
①水平軸風力發電機,風輪的旋轉軸與風向平行;
②垂直軸風力發電機,風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流方向。
水平軸風力發電機
水平軸風力發電機可分為升力型和阻力型兩類。升力型風力發電機旋轉速度快,阻力型旋轉速度慢。對于風力發電,多采用升力型水平軸風力發電機。大多數水平軸風力發電機具有對風裝置,能隨風向改變而轉動。對于小型風力發電機,這種對風裝置采用尾舵,而對于大型的風力發電機,則利用風向傳感元件以及伺服電機組成的傳動機構。
風力機的風輪在塔架前面的稱為上風向風力機,風輪在塔架后面的則成為下風向風機。水平軸風力發電機的式樣很多,有的具有反轉葉片的風輪,有的再一個塔架上安裝多個風輪,以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本,還有的水平軸風力發電機在風輪周圍產生漩渦,集中氣流,增加氣流速度。
垂直軸風力發電機
垂直軸風力發電機在風向改變的時候無需對風,在這點上相對于水平軸風力發電機是一大優勢,它不僅使結構設計簡化,而且也減少了風輪對風時的陀螺力。
利用阻力旋轉的垂直軸風力發電機有幾種類型,其中有利用平板和被子做成的風輪,這是一種純阻力裝置;S型風車,具有部分升力,但主要還是阻力裝置。這些裝置有較大的啟動力矩,但尖速比低,在風輪尺寸、重量和成本一定的情況下,提供的功率輸出低。