风力发电是通过转动与风力涡轮机直接相连的涡轮机发电,有望成为不排放二氧化碳和甲烷气体的可再生能源,这些二氧化碳和甲烷气体会导致气候变化。
然而,风力涡轮机使用的风力涡轮机非常大,据说风力发电的缺点之一是安装位置有限,这是风力发电的缺点之一。
本文讲解关于为什么风力发电用风力涡轮机必须是巨大的?风力发电诞生于19世纪末。
最初期的时候风力发电机有很多叶片,直径不到20米。
然而,随着时代的流逝,风力发电机变得巨大,在现代,叶片的直径可能超过100米。
此外,叶片的数量也减少到两到三个,叶片本身的形状也变成了细长的。
关于叶片在“整体的巨大化”“数量的减少”“每张锐角化”这3个方面的进化,有物理学上的理由。
首先,整个风力发电机之所以变得巨大,仅仅是因为风力发电机的直径越大,转动风力发电机的力就越大,电动势就越大。
而且,靠近地面的部分风会被建筑物和地形等挡住,所以为了有效地迎风,需要将风力发电机设置在更高的地方。
为了获得更高效的风力发电,风力发电机需要更高、更大。
此外,在谈论风力发电时,不可避免的是贝茨定律的物理定律。
贝茨定律是计算风力涡轮机和水轮机可以从流体动能中获取的最大能量的公式,从数学上要求风力涡轮机的理论最大能量转换效率为59.3%。
为了接近59.3%的转换效率,要求“尽可能多地迎风,快速转动风力发电机”。
为了尽可能减少空气阻力,同时将风力转化为旋转,存在“用狭窄的叶片快速转动风力发电机”或“用宽阔的叶片缓慢转动风车”两种方法。
风力发电机是将直线风的能量转化为旋转,这意味着“对空气施加扭曲”。
风力发电机后面的空气会产生漩涡气流,但如果风力发电机能100%获得风的能量,则不会产生气流,因此该气流的旋转能量换句话说就是“风力发电机无法吸收的能量”。
也就是说,风力发电机后面产生的气流涡流越少,意味着风力发电机的转换效率越高。
另外,风力发电机的速度也会对能量转换效率产生很大影响。
例如,如下图所示,当球落在移动的三角形台面上时,球会反弹向左侧滚动。
而且,台的移动速度越快,球向左侧滚动的距离越短。
这意味着台的移动速度越快,落下的球吸收的能量越多。
因此,“风力发电机的叶片快速旋转会减少旋转能量的损失”。
理论上,风力发电机的转速要求是风速的5倍以上。
再加上,叶片变宽、片数变多的话,风力发电机的旋转速度会变重,成本也会增加,所以现代的风力发电机采用了“2~3片细长狭窄的叶片”的风格。
根据以上理由,为了实现效率更好的风力发电机,现代的想法是应该采用“用3片狭窄的叶片快速转动风车”的方法。
其结果是,现代风力发电的风力发电机变得巨大,设计成薄而窄的叶片高速旋转。