【释疑解惑】风力发电机是怎样工作的?
《力学园地》编辑部:
我希望知道更多一些有关风力发电的知识,请介绍一下,好吗?
一个退休老者
2024年春节之际
风力发电机是怎样工作的?
萤火 怡心
人们在日常的生产和生活中都离不开电,充足的电力供应是一个国家和地区经济发展的重要前提条件。目前,全球一次能源的主要来源是化石燃料,所谓的“化石燃料”包括煤炭、石油和天然气。它们和化石一样,来源都是古生物的遗体,都是经历了复杂的化学变化或者“矿化”作用而生成的(所以也称之为“矿石燃料”)。化石燃料的主要成分是碳,燃烧后会排放二氧化碳、一氧化碳等有害气体。由于化石燃料是一种不可再生资源,所以“化石能源”的资源越来越贫乏,加之对环境会造成污染,因此人们在寻求各种“绿色能源”,以确保社会的可持续发展。绿色能源也叫清洁能源,是指不排放污染物、能够直接用于生产、生活的能源,它包括核能和各种“可再生能源”。后者是指原材料可以再生的能源,包括水力发电、风力发电、太阳能、生物能等。此外,地热能、潮汐能等也属于可再生能源的范畴。这里,只集中谈谈和风力发电相关的事情。
图1 矗立在川野上的风力发电机(图片来源:网络)
我国作为能源使用大国更是体现了大国担当的格局,在向全世界郑重宣布“碳达峰”“碳中和”的目标下,作为新能源中的风力发电迎来了高光时刻。当我们在陆地、大海中旅游的时候,往往可以看见那不断转动着巨大叶片的风车,它们其实就是风力发电机。那么你知道它的工作原理吗?不过,在深入讨论风力发电机之前,咱们先说说什么是碳达峰和碳中和吧!“碳达峰”是指环境中二氧化碳的排放不再增长,达到了峰值。而“碳中和”则是指二氧化碳排放达到了峰值之后开始下降,最终实现零排放。这里的“零排放”,并不是指不排放,而是通过使用可再生能源、可回收材料、提高能源效率以及植树造林、碳捕捉等方式,将自身的碳排放“吸收”掉(或者说,正负抵消),达到相对的“零排放”。所以,风力发电就是实现“双碳”目标的途径之一。
用力学的语言来说,风力发电机是将风能转换为机械能、再转换为电能的一种电力设备。广义地说,风能来源于太阳能,所以也可以说:风力发电机是一种以太阳为热源、以大气为工作介质的热能利用发电机。风力发电机组一般由叶片、机舱、塔筒等基础部件组成,人们也常常戏称它为“风车”。图2给出典型风力发电机的结构示意。其中“叶片”可以随风旋转,一般是三片;“机舱”里装有齿轮箱等传动机构、发电机和配电装置等;而“塔筒”则是支撑结构,并将电能传输到电力供应系统中。根据旋转轴的不同,风力发电机主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类,目前市场上水平轴风力发电机占主流位置。图3则给出一个水平轴风力发电机的机舱结构示意图。
图2 风力发电系统结构示意图(图片来源:网络)
图3 风力发电机机舱的结构示意图(图片来源:网络)
至于风力发电机的发电原理,其实和中学里学到的发电机原理是一样的:当转子在磁场中运动时切割磁力线时,由于法拉第电磁感应原理,转子上的感应线圈就会产生电动势,从而产生电流(参见图4)。只是在风力发电系统中,转子是靠旋转叶片带动的,叶片则是靠风力带动的。风车叶片旋转,风能就转化为机械能,这个机械能通过传动机构送达发电机的转子,发电机再将机械能转化为电能。每个塔架上风车产出的电能,通过集电线路输送到风电场升压站,升压后再输送到电网,就可以变成千家万户使用的清洁风电了。
图4 发电机工作原理示意图(图片来源:网络)
很多人可能会好奇,风车叶子转一圈,能发多少度电?在一般情况下,风速只要达到3米/秒(“微风”量级),风车就可以旋转发电。目前主流风车的单机容量从1.5兆瓦到10兆瓦不等。以2兆瓦的风力发电机组为例:叶片长50 - 60米,以额定转速运行时,转动一圈约4秒钟,叶尖速度约280千米/时,堪比动车速度,叶轮转动一圈约发电2.2度。当然,风车的叶片越大,受力就增加,功率就越大,相应发电量就越多。一般而言,由于风量是不稳定的,风车输出的交流电电压也是不稳定的,一般在13 - 25伏的范围内。所以,往往还要经过整流,再对蓄电瓶充电,使风力发电机产生的电能变成化学能;然后用有保护电路的逆变电源,把电瓶里的化学能转变成交流220伏市电,才能保证稳定使用。或者,如前面所提到的,通过集电线路输送到风电场升压后并网供电。
那么,风力发电是不是风越大越好呢?根据能量守恒定律可以知道,风速越大风能越高,可转换的电能的确是越多。但是,当风速超过风车限定速度时,风车就要停止工作。因为叶片转速越快,叶片所承受的离心载荷也就越大,当载荷超过叶片所能承受的最大载荷时,叶片就会断裂。这里离心载荷的定义是:在旋转机器设备运行时,由于离心效应对结构施加的载荷。而且事实上,发电量不完全取决于叶片转速。因为风力发电机机组中存在一个类似汽车变速箱的装置,比如变速箱挂到1档,那么即使叶片转速非常快(相当于油门踩到底),但通过变速箱传动到发电机装置当中仍然是较为恒定的低速(相当于车子还是跑不快)。有了这么一个装置,便对叶片起到了保护的作用。
我们知道风力发电有陆上和海上之分,那么这两者有什么差别呢?一般来说,海上风电场是陆上风电场建设成本的两倍,运维费用是陆上风电场的2-4倍。这主要是由于海上施工条件差,施工难度高,再加上海上风电装置远离岸边,台风、风暴潮等不利海况会对风电系统的运行维护带来较多的困难。虽然说海上风电场前期投入比陆上风电场大,但是大海广袤无垠,具有丰富的风能资源,海上风电发电的利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源,适宜大规模开发,发电效率普遍比陆上风电高出20% - 40%。相对来说,小容量风电系统都在陆地上,大容量风电系统都在海上。
(a)
(b)
图5 大型风电场:(a)陆上;(b)海上(图片来源:网络)
这里仅以桩基为例,简单解释一下,海上风电系统建设困难所在,其中“桩基”是指风车塔筒在水下部分。图6是海上单桩风车的图示,它承受着巨大的风荷载以及波浪和海流的联合作用。海床和陆地的性态是不一样的:海床土体通常处于饱和含水状态,土体一般更为软弱,而且往往是砂质的,在其上方的海流作用下,还会形成冲刷坑,十分不利于基础承载。俗话说“根基不牢,地动山摇”。对于海上风车这类“高耸结构”而言,更是如此!如何确保海上风电系统的安全,便是力学工作者的任务了。
图6 海上风力发电机桩基示意(图片来源:文献[4])
中国科学院力学研究所的研究团队建设了大型水槽,可以用来进行模型试验以观察桩基的冲刷演化过程(参见图7)。可以看到,在桩基附近,形成了马蹄涡,下游方形成尾迹涡,桩基周围的马蹄涡等扰动流场极易诱发海床土的淘蚀,从而导致冲刷坑的形成。力学所研究团队还开展了数值模拟研究,给出了圆柱桩基前缘对称面内的马蹄涡系典型流动结构(参见图8)。这个研究结果也得到了现场实测结果的验证,图9是根据工程实测的海上风车单桩基础冲刷数据制作的云图。以上就是力学工作者从事海上风车桩基稳定性研究的一个大体流程。所以,大型工程必须要有科学的支撑。
图7 水槽中模型试验观测的桩基冲刷动力演化过程(图片来源:文献[4])
图8 水流作用下桩基前缘对称面内的马蹄涡系结构(图片来源:文献[4])
图9 工程实测的海上风机大直径单桩基础冲刷(图片来源:文献[4])
风力发电与常规发电相比,尽管有一些缺点(如受地域和天气的影响大),但具有能源充足、不消耗燃料、无环境污染、占地面积小、工程建设周期短、发电技术成熟等优点。虽然前期投入较大,但相比水电和火电,后期维护、管理费用低,是目前新能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展的发电方式之一。
参考文献
[1] https://mp.weixin.qq.com/s/a2HyZXU4cVo3_PrHk6aSqQ
[2] https://mp.weixin.qq.com/s/fP_krFx3AAND6faZkdH5zw
[3] https://mp.weixin.qq.com/s/-HiD0ntunhOm8dFDPa-49A
[4] https://imech.cas.cn/science/lxyd/qy/202302/t20230228_6686348.html