当前讯息：风力电机为何非得是三个叶片？这与风能转化效率有关

2022-07-21 09:54:44 来源：科普中国

老式电风扇都是由三个叶片组成的。

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。

【资料图】

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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