科學解讀，為何風力電機都是3片葉子？轉那麼慢又是怎麼發電的？

大家好，這裡是前言論！

不知道大家有沒有想過，經常在大草原或者海上看到的大風扇（風力發電機），在轉的如此緩慢的情況之下，是怎麼發電的？速度如此之慢的情況下又能夠產生多大的電力呢？最後一個就是為什麼風力發電機的葉片只有三片呢？而不是到4個葉片或者2個葉片呢？

今天我們就來聊一聊有關風力電機的話題。

首先，我們來看看風力發電機的工作原理，簡單來說，風力發電機是通過其表面的風的能量截獲一部分下來，變成讓自己能夠旋轉的能量，進而帶動發電機來發電的，所以關鍵就在於它能從風裡截取多少能量下來，換句話說就是風能的轉化有多少。

我們打個比方，假如把風力電機旋轉平面上裝的不是葉片，而是一整張個密不透風的圓盤的話，會發生什麼情況呢?

首先它會將吹過來的風完全的擋住，於是風力就完全吹到了圓盤身上，那麼風能也完全轉化到了圓盤身上嗎？答案是否定的，因為從風能的轉化公式可以看出，除了作用在圓盤上的風力大小很重要之外，還有另外一個重要的因素存在，那就是通過圓盤的風速了，兩者相乘才是轉化功率。

從這點，我們就能看出來，儘管圓盤把風力全給接了，但是卻將風速完全給阻擋了下來，結果就是一個再大的數字乘以0的話那結果肯定就還是等於0的了，所以它必須要做成鏤空的，讓一部分的風依然能夠快速的通過自己，而讓另一部分的風撞在自己身上產生作用力。

這兩者之間的最佳組合是多少呢?計算表明前者是2/3，後者是1/3時的轉化功率是最高的，也就是說吹過圓盤的風速降到了原始風速的2/3，而在這種情況下，風力對原盤施加的作用力的比值則為8/9，兩者相乘得出一個係數0.59，也就是59%，這個就是風能能夠轉化到圓盤上的最大功率了，它叫做「貝茲極限」。

現在我們回到裝著葉片的正常風力發電機上，為什麼通常都只會裝成3個葉片呢？而不是4個、5個、6個甚至更多?

理由很簡單，儘管隨著葉片數量的增加，風作用於葉片平面的力也增加了，但是卻讓經過它的風速減小了，葉片數量越多，風速減小越大，直到最後變得就跟個圓盤一樣密不透風了，其結果會怎樣?我們在之前已經領說過了，所以看起來3片、4片應該是一個最適合的值。

實際上4片的效果還要略好於3片，那可能就有朋友要問了，那為什麼在現實中找不到4個葉片的風力發電機呢?

答案就是因為成本，要知道每個葉片長達60米，為了保證它還足夠的輕，足夠的強，在材料上肯定是要下很大的成本的，而又因為4片比3片在對風能的轉化效率上高不了太多，但是價格卻一下子高了很多，所以綜合考慮，人們還是決定選擇性價比更高的方案（也就是三片葉子）。

下一個問題，既然三片更省錢，那麼如果用兩片豈不更省錢嗎?

如果你曾經觀察過一臺運行當中的風力發電機的話，就會發現它的葉片旋轉速度真的是驚人的慢，從數據上看也是如此，每分鐘只有7~12圈，這裡能夠直接拿來發電的能量顯然差的太遠，所以必須要加上「齒輪變速機構」，使發電機的轉速來到差不多每分鐘1500轉的水平才行，但這個速度顯然還是越快越好，為什麼不在一開始的時候就讓葉片轉得更快呢?這是有兩方面的原因：

其中一個是當葉片的旋轉速度越高時，那麼葉片對氣流的阻礙作用也就越大，我們可以形象點來看這個問題，當三個葉片轉的不那麼快時，那我們看到的就只有3個葉片，而當3個葉片轉的快起來時，可能看到的就不是3個葉片了，可能是五個也可能是7個，如果轉的再快一點，那麼看到的葉片自然就更多了，最終又回到了密不透風的圓盤效果了。

而我們之前已經講過了，阻礙的風越多，那麼在葉片旋轉面上的風速就越慢，風能轉化的功率也就越少了，所以結論就是更快的增速並不能帶來更多的發電。

另一個原因就是和物理有關的了，我們都知道，當物體旋轉起來之後就會產生離心力，質量越大、轉速越快那麼產生的力也就越大，這樣的話，就會對我們的材料力學提出了非常嚴峻的考驗，而我們現在還沒有掌握這張材料技術，所以想要在風機身上產生出足夠的迎風力，那就需要讓它比3個葉片轉得更快才行，而一旦轉快了，就很容易把自己撕裂了，所以最終還是選擇用3片葉子。

最後我們再說一些其他的問題。

不知道大家有沒有發現，現在在我們身邊經常都可以看到風力發電機的身影，感覺它是越來越多了，實際上確實如此，儘管目前風力電機裝機數量最多的還是英國，但很快就會被我們國家反超了。

沿著上海從北，一直南下至香港，在這片跨越上千公裡長的水域裡面，我們正在建設全球最大的離岸風力電站，其產能將遠超世界其他地區的總和。

好了以上就是關於風力發電機為何要選用三片葉子的原因了。

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