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其详细名称为迎风三叶水平轴升力式风力发电机。是目前主流的风力发电形式，一般简称为“风力发电机”。它的结构看似简单，先在地上立一根柱子，装上发电机，然后在发电机主轴前面插入三片长叶片。这样一个风力涡轮机就完成了。然而，简单的外表下隐藏着6000多个不同的组件，各种控制机制复杂。最重要的是，当由叶片和中心轮毂组成的风轮成为风能的捕获部分时，整个风力发电系统不再遵循普通发电机的运行规律，风电机叶片相应的气动特性成为风电机组的核心。元素。
一台2MW风机的功率曲线（图片来源：作者自制）
根据来风风速与风机输出功率的关系，运行状态大致可分为四个阶段：
无风静区（风速介于无风和切入风速之间）：无风或来风风速过低，风轮静止或缓慢转动，此时发电机不进入工作范围，不产生电流；
功率增加区（风速在接入风速和额定风速之间）：随着风速的增加，风轮进入稳定转动状态，机组在该区域开始发电，输出功率逐渐增加随着风速的增加；
恒功率区（风速在额定风速和断路风速之间）：由于发电机自身容量的限制，随着风速的不断增加，风机的输出功率保持在一个恒定值（额定功率）；
强风停机区（风速超过停机风速）：当风速继续增大并超过机组停机风速时，风机制动，风轮立即停止转动，机组停机停机发电。
这个曲线感觉有点奇怪。风速越高，风能就越丰富，可以产生的电力也就越多。这是发电的绝佳机会。但是风速刚刚达到25m/s，为什么风电机组就停机了？这不是浪费了这种稀有的能量吗？
因为，当风速过高时，如果机组不及时进行相关停机操作，其结局可能是这样的：
风车的“车速”过快怎么办？（图片来源Youtube）
从纯能源的角度来看，风速越大，越有利于发电。但当风速逐渐增大，威胁机组安全时，发电就成了次要目的。此时，空气的快速流动使机组承受巨大的压力（风荷载）。上述“飞车”情况一旦处理不当，就会造成叶片断裂、整机倾覆等灾难性事故。
台风登陆期间，最危险的因素不仅是强风，还有风向混乱多变，而后者对风力发电机的威胁更大。当风力发电机感知到极端风况即将到来时，除了迅速刹车锁定风力发电机主轴外，还必须果断“识别”，根据风向转动头部，减少其投射流动方向的面积。尽量减少受风面积。虽然由于地转力的偏转力，登陆我国沿海地区的台风沿逆时针方向旋转，但台风墙内的流动极其湍急，风向复杂多变。这提出了单元的控制策略。更严格的要求。此外，台风的登陆过程往往伴随着短期的强降雨，同时闪电和雷暴也会对风力发电机组的可靠性构成很大威胁。
2016年，杜娟台风中心风速为57 m/s吊车，远低于风机设计承受的极限风速。然而，大规模的叶片断裂仍然时有发生，甚至发生了整个机组倾覆倒塌等灾难性事故。
台风杜娟登陆受损风力发电机组（图片来源：Journal of Wind Engineering
和工业空气动力学）
当然吊车出租，台风也不是完全不能发电。台风核心区的威力虽然让风力涡轮机吓人，但受台风影响的区域却很广。随着沿外围距离的增加，风速将逐渐减小。当低于25m/s（目前大多数风力发电机的切断风速）时，风力发电机此时可以“吃很多”，充分吸收台风的能量，并将其用于发电一代。例如，2018年江苏如东台风“阿比”的最大风力仅为9级，为沿海风电场带来可观的发电效益。如果未来风力涡轮机采用机械性能更好的材料制造，突破25m/s甚至更高的停机风速极限，在台风肆虐时从容应对台风，实现远距离风力发电。这样做的目的又近了一大步。
台风风力涡轮机横空出世
以上介绍了目前主流的大型水平轴风力发电机的特点。事实上，风力发电机的种类很多，但大部分型号并不适合发电。在关东大地震和福岛核泄漏之后，日本对核电的安全性更加谨慎。日本工程师 Atsushi Shimizu 决心开发利用台风发电的风力涡轮机。在意识到目前主流风机的局限性后，他决定另辟蹊径风力发电机叶片参数，结合开发新型风机。他于2014年创立清洁能源公司Challenergy并担任CEO。两年后的2016年9月，清水俊宣布成功研制出世界上第一台台风风力发电机。本机可承受 80 m/s 的风速，可轻松应对台风风向的任何变化并有效利用它。台风的能量。
台风风力发电机模型及其发明者清水纯（图片来源：电子发烧友）
这台风风力发电机究竟有什么魔力，才能控制台风？
与主流的水平轴风力发电机不同，该风力发电机是一种结构安全性相对较高的垂直轴风力发电机，解决了偏航和风力问题。此外，不同于传统的以翼型为外截面的叶片，这种风力涡轮机叶片的形状是一个光滑的圆柱体。产生升力的原理来自流体力学中的“马格努斯效应”。，即在流体中旋转的物体（如圆柱体）由于物体的旋转而带动周围的流体旋转，使物体两侧的流体速度差，使旋转物体产生横向升力. 通过控制圆柱叶片绕中心轴的转速，可以更灵活地改变叶片的升力，
马格努斯效应（图片来源：Challenergy官网）
这种所谓的世界首台台风风力发电机其实并不新鲜。它只是结合了马格努斯效应和垂直轴风力涡轮机。马格努斯现象早在1852年就由德国科学家马格努斯发现，并基于这一原理，在飞机和轮船上进行了大量探索性研究，甚至应用于水平轴风力发电机。
据Challenergy官网公开报道，Jun Shimizu的研究团队正在对Magnus垂直轴风力发电机进行一系列实验研究。在100千瓦样机的初步测试中，风电机组的能量转换效率只有近30%，远低于主流风电机组的发电效率。由于这种风机本身的运行控制方式比较复杂风力发电机叶片参数，其功率难以大幅度增加。因此，未来这种台风风力发电机的规模化研发之路将更加坎坷和艰辛。
100千瓦台风发生器试验机（图片来源：Challenergy官网）
台风发电？最好考虑低风速发电
每逢台风来袭，台风发电的传闻往往会引起人们的关注。但是，公众对风力发电普遍存在误解，只需要在大风的地方建风力发电机。虽然风速是衡量风电场效益的重要参数，但该地区风的持续时间（在风电行业，一般称为风能利用小时数）更为关键。虽然平均风速为12 m/s和24 m/s，对应的风能相差近8倍，但对于一些风力发电机来说，单位时间产生的电量是一样的。事实上，风力发电机可以在3m/s的风速下运行，目前机组已经完成了向低风速型的技术过渡。
总而言之，虽然我们目前无法充分利用台风发电，但这个目标并非遥不可及。当然，清水君团队研制的风力发电机已经实现了台风发电的目标，这一成果确实会产生一定的科研价值。它将把风力发电的技术水平提升到一个更高的水平。但在实际工程应用中，台风发电最关键的问题不是技术可行性，而是安装运行成本、制造技术水平、能源利用效率、运行安全、经济效益等多方面因素综合考虑。显然，利用偶尔的“来访”台风并不能保证长期稳定发电。这种技术策略没有理想的收益，缺乏商业开发的价值。因此，台风发电在未来很长一段时间内都不会成为主流的发电形式。
参考：
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