风力发电机必须有叶片？不是！我的世界观被刷新了……

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风力发电机必须有叶片？不是！我的世界观被刷新了……

为什么风力发电机只有三个叶片？

风力发电机为什么是三个叶片

风力发电机为何都是三片叶子，转速那么慢是怎么发电的？

一、风力发电机必须有叶片？不是！我的世界观被刷新了……

扑翼风力发电机 | Youtube/ TYER WIND

这只萌萌哒的“小兔子”，居然也能发电？没错！它随风摇动“翅膀”的同时，正在源源不断地输出电力。

提起“风力发电机”，你的脑海中是不是立刻浮现出“三叶片白色大风车”？

主流的三叶片风力机 | Pixabay

除了这经典的造型之外，真实的风力机还有着各种魔性的造型。

为什么是三叶片？

风车作为风电机的“鼻祖”，在荷兰发挥了巨大的排水作用，从而闻名世界。四叶片荷兰风车的形象也深入人心。

风车 | Pixabay

美国西部的多叶片提水风车曾经也广为流行。多支叶片可以使整个风轮产生较大的功率，提供更充足的动力。

多叶片风车 | Pixabay

四叶片甚至多叶片风车已经成型，为什么到风力发电机上，变成了三叶片呢？

叶片数目不会直接影响能量利用率，相反，叶片数目过多会干扰空气流动，降低风能的利用率。风能利用设备最多只能捕获风中59.3%的动能，并加以利用。这么说来，风力机哪怕只有一支叶片，也可以产生同样多的电。

单叶片风力机 | Youtube/Audun

不过，单叶片风电机并没有成为主流。单只叶片会使风轮极度不平衡，严重威胁整个风电机组的安全性。想象一下，一大团衣服缠绕在一起甩干时的样子……整个洗衣机会剧烈振动，甚至直接罢工。

疯狂甩干的洗衣机 | Giphy

对称的两支叶片可以改善这种受力不平衡的状况，但依然不够稳定，在更理想的载荷控制技术出现之前，双叶片风电机的应用依然会受到限制。

双叶片风力机示意图 | Youtube/DOB-Academy studio

三叶片风力机因其最佳的布局形式解决了平衡的问题，但“重”也成为“痛点”之一。单个风电叶片重达20吨，三支叶片组成的风轮就超过了60吨，真就是一个沉甸甸的大家伙。地面上的基础一旦存在有质量问题，整个机组都有可能倾覆倒塌。

倒塌的风力机 | Youtube/ DailyTop20s

有的厂家将风力机“化整为零”，使用多支小叶片，变身为四头十二臂。2016年，风电龙头企业维斯塔斯（Vestas）在丹麦技术大学（Technical University of Denmark）安装了一台有四个风轮的风力机，机组在悄无声息地运转了两年之后被完全拆除。由于机型的稀缺性导致相关数据异常宝贵，两家机构至今也几乎从未对外公开过任何数据。

四风轮风力机 | Power-Technology

没叶片，也有电

疯狂的科学家并不甘心接受平庸的叶片，从而提出了“无叶片”方案。传奇的电学巨匠特斯拉（Nikola Tesla）就曾经申请过一款无叶片涡轮机的专利，但由于缺少合适的制造材料，最终不了了之。

特斯拉无叶片涡轮机原理图 | Homeconstructor.de

基于这个思路，人们研发出了蜗壳外形的无叶片风力机。风推动内部的圆盘旋转，带动发电机进行发电。然而，这种“小猪佩奇”般的风电机，需要严格保证各个部件加工制造的精度，同时要求风必须对准进风口，这样苛刻的条件制约了它的发展。

无叶片风力机的原型机 | endalldisease.com

为了利用各个方向的来风，人们开发出“倒置大喇叭”造型的无叶片风力机。这个在衡水市安装使用的风力发电机，能够全方位捕捉风能，并充分利用微风，待气流进入内部后，随着沿途缓慢收缩的管道，气流速度被逐渐增大，最后推动位于截面最窄处的发电机进行发电。

蓝色线表示空气流速低，红色线表示空气流速高 | Powermag

除了通过把风“骗”到自身内部进行发电，有的企业更进一步，回归到最简单的柱状结构，推出了“如意金箍棒”——无叶片涡振器（Vortex Bladeless）。

无叶片涡振器 | Vortexbladeless

它利用了“卡门涡街”现象：空气流过时，会产生“漩涡”，诱发柱子产生往复振动。简单地说就是柱子摇一摇，电就发出来。但该机型的效率极为有限，长期的振动会加剧材料的磨损，目前尚不具备商业化应用价值。

无叶片涡振器原理 | Vortexbladeless

同样借助“涡旋脱落效应”的，还有另外一款无叶片风力发电机“萨芬尼亚”（Saphonian bladeless）。相比“金箍棒”风力机，“萨芬尼亚”的顶部安装了一个活动的圆盘和一只尾舵（竖起来的梯形板）。

“萨芬尼亚” | endalldisease.com

未来可期的垂直轴风力机

2016年，冰岛国家音乐中心附近的风电公交车站投入运营，车亭上方奇怪造型的的垂直轴风力机为照明和电子产品提供电力。这台机组不仅能够适应低风速环境（2米/秒）,在飓风等级（超过50米/秒）的寒风中同样可以正常工作。

冰岛垂直轴风力机 | Designboom

垂直轴风力机的旋转轴垂直于气流方向，一般也垂直于地平面。传统的水平轴风力机需要面朝大风，而垂直轴风力机对任意风向的风都是来者不拒，照单全收。

垂直轴发电机的结构承载力也大大增强，从而可以应对更强的风级。这些特性使得垂轴发电机在广袤的海洋焕发生机。

漂浮式V形垂直轴风力机 | theguardian.com

脑洞大开的新型风力机

荷兰建筑师设计的“艾维康”（EWICON）是一张静态的网，矩形的钢架外网中放置有多根水平的绝缘管，每根绝缘管上密集排布着喷嘴，通过电极产生带电的水雾，风吹动水雾形成电流，从而产生电能。

“艾维康”风力机 | WonderfulEngineering

电影《超能陆战队》中，高空里漂浮着很多的汽艇发电机为城市供电，其实这一技术在现实生活中已经实现了。高空的平均风速远远大于地表，并且风速波动更加平稳，多家公司把目光投向了具有巨大潜在价值的高空风电，制造出商品化的“汽艇发电机”。

《超能陆战队》中空中风力机 | 影片截图

现实中的高空发电机 | everythinginflatables

为了使整体结构更加轻盈，“风筝风力机”应运而生。

高空风筝风力发电机 | Hazebird

虽然这些“脑洞大开”的风电机看似美好，但如何高效、稳定地传输电力依然是个大问题，阻碍了更大规模的应用。

当今，成熟的三叶片风力机技术已经大规模投入使用，但科学家们依然在探索着新型发电机。千奇百怪的外形只是表面现象，无限接近风能利用极限是风能研究的永恒目标。这些艺术外表下的极致追求，正是科学家的浪漫所在。

参考文献

[1]Wobbling in the wind: a bladeless a... - Information Centre - Research & Innovation - European Commission (europa.eu)

[2]VortexBladeless官网. https://vortexbladeless.com/

[3]No blades! A pole-shaped wind turbine, Vortex Bladeless, generates power by shaking. https:///

[4]Invelox wind turbine, does it work? - betterworldsolutions.eu

[5]Alphabet winds down energy kite division - The Verge

[6]Watson, S., Moro, A., Reis, V., Baniotopoulos, C., Barth, S., Bartoli, G., ... & Croce, A. (2019). Future emerging technologies in the wind power sector: A European perspective. Renewable and sustainable energy reviews, 113, 109270.

[7]衡水INVELOX风电机组景县广川动工

http://jingxian.hebei.com.cn/system/2016/07/18/011052501.shtml

一、为什么风力发电机只有三个叶片？

• 01

  简单来说就是为了提高风机的风能转换效率，理论上风机叶片数越少则动率下转速越高，再考虑到重心稳定性的要求，三叶片是现今实践得出的最实用的水平轴风力发电机组。

  现在的新能源可是当下最为火爆的一个热门话题了，可以说现在全世界的眼睛都在关注着新能源的环保问题或者说发展出新的新能源。　

  而新能源它是一种可以持续再生并不会影响我们的生态环境的一种能源，比如说风能。

  风能就是我们现在世界全部都在关注的一个目标，风力发电机就是把风能利用到了极致的一个典范。

  或许说道这里，可能许多的小伙伴们还不知道什么是风力发电机，其实是很好理解的，就比如说我们平时看到的在平坦开阔的地方那些三个叶子的风车，他们就是风力发电机的一种。

  发电机的原理也是十分的简单，就是把这种大自然带给我们的风力转化为一种机械能，再通过一些技术问题，把机械能转化成为了动能，这样的话，我们就拥有了取之不尽的电能。

  那我们为什么把这些风车给做成三叶的而不是做成四叶的呢？四叶的话我们风车的面积就会变大，这样我们所产生的电能也会更多啊。　

  目前存在于世界上最大的风力发电机，它的叶子长度大约能够达到164m左右，而且每一扇发电叶都达到了32吨。

  这对于我们国家来说，成本太过于巨大，没有办法在每个地方都普及开来，同时，在叶数增加，成本增加的情况下，其实电力并没有增加多些。

  性价比相对来说还是三叶的风力发电机要较为合适一些。所以在一切因素的综合考虑之下，我们还是决定要用三叶风车，可以说这是一个最棒的设计了。

二、风力发电机为什么是三个叶片

风力发电的三叶片式可能是因为：
三叶片式之间的夹角是120度。风带动三叶片发电机行走，开始和某一个叶片平行，带动其向前转动，其带动的作用逐渐明显，在与此叶片成60°角后，叶片的运动方向与风运动方向逐步趋于一致，风力作用效果逐步减弱。而此时风力与下一个叶片之间夹角程0度角（即风力与下一叶片处于同一平行线上），风力又将继续对下一叶片起作用。
而三叶片式改换成四叶片式的话，叶片之间夹角是90°。风力与某一个叶片起作用的时候程90度直角时，与下一叶片间角度程0°角。风力对第一个叶片还在起作用，而对第二个叶片也将要起作用。如果当时的风力不一样，比如，风停了一下，那么，就会造成对一个叶片起向前推的作用，而另一个叶片起着停顿的作用。这样，不仅不利于风力发电，也比较耗损装置。
两叶叶片的就是，风力吹动的连续力接续不上，一个向前走，而没有另一个叶片接着被风吹着向前走，致使发电装置不能很好的转动。
可以总结的说，四个叶片的，叶片之间相互作用比较大，影响了其共同作用结果，使效率降低。而两个叶片的，叶片之间相互牵制，它们之间的作用效果也比较明显，也不可取。
可以说，三叶风力发电之内，有两个叶片起推导作用（有利），一个叶片起阻挡作用（有弊，向上提起的那个叶片）。而风力发电叶片的形状不是直板型，而是有一个弧度的，也是为了在有利的一刻兜住风，而有弊的一面让风划过的效果。
在这个过程中，用中学物理知识来说是，风能转变成叶片的动能和叶片的势能，叶片的动能和势能转变成电能，不计摩擦。一个风力是2牛顿（作用力是2牛顿/平方米）的风吹过一个三页发电机，对其一个叶片的作用。求其由与风程0度角到与风程60度角后，其发电多少焦耳...？（应该给图）
思考过程，风力给了，乘以叶片的面积就是作用力，请考虑角度，乘以sin或cos角度问题。这里的作用是有一个力臂的问题地，这样考虑比较简单一点，要不靠做功等于f（作用力）乘以s(路程)的话，随风力作用叶片上不同点的半径不同，其走的路程也不同。结果是，风推动叶片走动做的功加上叶片在这个过程中势能做的的功（重力做的功）就是发电的功

三、风力发电机为何都是三片叶子，转速那么慢是怎么发电的？

我们仔细看巨大的风力发电机风扇都是三片叶子，然后这个扇叶转动的也非常的缓慢，就是肉眼可见的那种转动的速度。这种转动速度真的能够发出很多的电吗？其实我们要了解一下风力发电机的基本原理。

风力发电机能够产生多少能量这个与能量的这种画笔有关，就是扇叶的倾斜度多少个扇翼扇叶，最终能够转到什么的速度都会影响到能量的转化，比简单的说，如果它这个扇叶的数量特别多，无限接近于圆盘的那种情况，那么风过来就都被阻挡住了，转化不了能量，因为他只能保持静止的状态，如果它转动速度特别快，那些风扇的扇叶也会组成一个接近于圆盘的状态，也会影响能量的转化比，所以它的转动速度必须控制的慢一点。

但是专程的速度慢了发电怎么发电呢？其实理论上来说，这个风力发电机他的3124的叶儿是最好的，就是在这种情况下能量的转化比是最高的，据说最高可以达到30%~40%，现在基本上就是30%左右，因为这个风力发电机扇叶的材质极其特殊，它本身要结实，但是还要轻便，说的简单一点就是他要狠劲造，但是他还得很轻，因为重的东西风吹不动，他就更发不了电了，所以这个玩意儿成本很高的。

最终为了达到最理想的转化状态，就取了三个单页，让他保持一个很缓慢的旋转速度，虽然我们远处看他好像转得特别慢，但是它的扇叶足够大，它转动的时候能够带动它的中心轴产生足够大的能量，而且里面它是有差速转换机的，不可能就是那样一个速度去发电，那样发电的话发不出来电的。里面经过差速转换机的加速，就能够变得转得很快了。