风车一转财源滚滚，风力发电机转起来能发几度电？一年赚多少钱？
风车一转，财源滚滚，风力发电机的发电效率如何？一年能赚多少钱？
风车一转钱到账
能发多少度电？
风力发电的原理是
那么，风力发电机转起来能发多少度电呢？
根据叶片的形式不同，现有的发电机主要分为两类
第一类是
水平轴风力发电机
5MW相当于5000千瓦，理论上来讲水平轴的风力发电机一小时能产生5000度电，实际数值可能略小。
第二类是垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机相比水平轴，噪音更小，发电效率更高，带来的收益更大。
这种发电机的最大功率为10MW，是水平轴发电机的两倍，一个小时产生的电量约为10000度。
但这是最大且理想的值，普通风力发电机 功率大约在600到1500千瓦之间，随着技术进步，发电机功率将会提升，上限也在不断突破。
风力发电在未来大有可为！
有人专门对地球的风能资源进行过统计，地球的风能资源约为100亿千瓦，相当于水能资源的10倍！
如果人类将地球的风能资源 完全利用起来，这些资源将远超人类烧煤产生的电量。
18世纪的时候，人们就意识到风能可能是未来重要的能源，当时的英国被两场大风席卷，将25万棵大树连根拔起。
既然风有着如此强大的能量，为何不运用起来造福人类？
直到20世纪中后期，人们才将这种想法付诸实践 ，并得到巨大回报。
海上风力发电机
进入21世纪，人类越来越重视风力发电在供能方面的作用，世界各国也纷纷建造起风力发电机。
风力发电机的成本
风力发电虽如此优秀，但并不是每个人投资者都有能力进入到该领域，因为每一台的风力发电机的造价都十分昂贵。
别看风力发电机像一个简单的风车，可内部结构精巧 ，安装了多种辅助设备，这些设备加在一起可是一个不小的数目。
安装一台普通的风力发电机价格在600万元左右，若是功率最先进的风力发电机，那么价格少说也要1000万元，而且还不一定能买到。
此外，进行风力发电的场所一般是在偏远的山地，这无疑是增加了安装的成本 ，安装一台普通的风力发电机的所需价格差不多在700万元左右。
风力发电机组的整体结构
想要建造一个风力发电基地，至少也要有几十上百台机器。
一个风力发电基地按照50台来算，那么建造成本也有3.5亿 人民币。
试问，又有多少投资者能拿出这笔资金？其后的运营费用、电力输送费用都是一笔不小的费用。
所以，想要完整运营一个风力发电基地，至少要准备4亿人民币。
风力发电基地
正所谓高投入高回收，真正运营起来，风力发电的收入还是比较可观 的。
风力发电机的利润
一台普通发电机的功率按照1000千瓦来算，在发电机全速运转的状态下，50台发电机一个小时能产生50000度电。
假如一天发电20小时，一天就是100万度电。
风力发电整套系统
看上去是一个不错的数字，但现实往往是残酷的 。
由于环境条件和气候的限制，风力发电非常不稳定，风力资源发达地区，平均每天的发电时间也就在10小时左右。
而且风力大小的偏差，也难以让发电机全力转动，保守来算，50台1000千瓦功率的发电机，一天的发电量也就在30万度 左右。
电力价格按照0.5元来算，一天的收入就是15万元，一年就有5000多万元。
扣除运营费用，期间产生的其他费用，纯收入可能在4000万元左右，10年左右就可以收回成本。
如今，还有着国家的政策支持，在购买设备以及运营方面的成本都有所降低，收回成本的时间只会更早 。
2021年国家财政部对新能源行业下放补贴金额有38亿元，其中近一半是风能资源的补贴。
风力发电机组
但这也掩盖不了风力行业成本高，回收时间久的弊端 ，让许多投资者望而却步。
因此，我国的风力资源开发采用的都是国私合伙投资的方式，促进行业的发展。
相信，等到行业更加成熟后，越来越多的投资者愿意进入到风力开发当中，谋取利益的同时，造福百姓。
中国风能的发展
中国风能储量丰富，陆地风能约2.5亿千瓦，海洋风能约7.5亿千瓦，占世界风能的十分之一。
进入到21世纪，我国开始加大对风能资源的开发利用 ，着手在西北地区、沿海地区组装风力发电机。
大西北风景
2007年，我国组装的风能机组功率共计9万兆瓦（约9000万千瓦）
2010年，我国风力发电机总功率16万兆瓦，以平稳的态势增长。
2021年，我国发电机总容量继续平稳增长，达到了328兆帕，稳居世界榜首，当年风能产生的电量超过6000亿千瓦，同比增长16.6％。
对比当年水力发电 的1.3万亿千瓦，同比下降0.1％，全国主要水域利用率98％。
水力发电原理
可见，虽然风力发电数据赶不上水能发电，但是风力发电量一直在增长。
我国的水能发电已经到达了一个瓶颈期，但是风能发电潜力 仍旧很大。
有专家估计，风力发电总量预计在5年内超过水力发电，成为中国主要的电力来源。
如果风能资源的利用率达到水能资源的水平，每年的发电量将会达到10亿千瓦 ，解决沿海地区供电紧张的问题。
风力发电被大家寄予厚望
风力发电缺点
风力发电最大的缺点就在于它的成本较高，但是，随着风力发电机功能的提升，风力发电的成本也会随之降低。
而且我国的风力发电产业正在逐渐形成规模效应 、产业链效应，将会再度减少风力发电机的组装成本，让更多的投资者能够进入风力发电市场。
开发风力资源对环境也有一定影响，比如噪音污染，在大风天气，传统的风力发电机转动会产生巨大噪音，对当地居民的生活造成干扰。
噪音标准如图
风力发电机转动产生的气流还会影响鸟类的飞行，严重的情况还有可能影响到当地的生态环境 。
另外，风力发电机完全是“靠老天爷吃饭”，供能很不稳定。
有啥优点？
风能发电的优点在于环保、清洁、可再生等等。
风能发电机组装灵活，可以根据当地的实际情况改变机组大小，在迁移发电机的时候，只需要带好组装零件就可以搬运到任何地方。
风力发电机配件
总的来说，是优点大于缺点的，风力资源的开发也是未来的重中之重 ，是人类未来的主要能源。
我国自主研制的风电机组，再次刷新单机容量最大的世界纪录
2024年6月26日，我国自主研制的“18MW半直驱海上风电机组”在广东省汕头市风电临海试验基地顺利并网发电，再次刷新已并网风电机组单机容量最大的世界纪录。这台机组的部件级国产化率达到了100%，平均每年发电量可达7200万kW时，可满足约4万户家庭一年的用电量。
2024年6月5日，18MW半直驱大功率海上风电机组在广东省汕头市风电临海试验基地成功完成吊装。图片来源：东方电气集团
几天后的6月30日，我国自主研制的“18MW中速集成海上风电机组”，经过一年多的全面测试验证，在辽宁营口华能仙人岛热电厂成功完成吊装，标志着创造了“两个全球第一”纪录（风轮直径260米、单机功率18MW）的风电机组即将投入商业化应用。
海上风电技术研究是我国实现能源安全、建设海洋强国等国家战略需求的重要手段。 十余年前，中国海上风电产业刚刚起步。到如今，中国风电已经引领全球风电机组大型化趋势，自主品牌产品推陈出新，率先踏入了风电技术和产业发展的“无人区”。
风力发电机
“大”势所趋
对于高层建筑、桥梁以及电视等工业产品，随着技术的发展，它们的尺寸也逐渐增大，风力发电机也是如此。1981年，当时全球最大风力机的功率仅为55kW，在1995年，这一数字才缓慢上升到500kW，1999年达到2MW。然而，此后风电机组的额定发电功率却一路攀升：5MW、8MW、10MW、15MW、18MW、20MW甚至22MW。目前来看，这种大型化发展趋势并无丝毫放缓迹象。
大型风力发电机的功率是如何不断增长的？答案是：不断变长的叶片。更大的叶片在旋转时会从更大面积的风中提取能量，从而产生更多的电力，发电机的发电功率与叶片旋转扫过的圆盘面积直接相关。
18 MW半直驱海上风电机组下线。图片来源：福州晚报
那么，为什么风力机的尺寸会以如此快的速度增加？ 2019年11月印刷版 《自然》（Nature）上刊登了一篇论文《风力发电机：有多大？》(Wind Turbines: How Big？)，探讨了该问题。英国杜哈梅大学工程系教授西蒙·霍格（Simon Hogg）解释说，最核心的原因只有一个，就是降低能源成本。
随着风力机尺寸的增大，其设计、制造、运输、安装及维护等成本也会增加，发电量也会显著提升。根据目前统计到的大量机组数据可知，机组尺寸越大，单位平均度电成本（每度电发电收益与总成本的比值）越低。正因这条规律，风力发电机才会不断变大。
“平衡”发展
突破技术瓶颈
更长的叶片会产生更大的发电量，但我们必须考虑严格的物理定律。由于重力等因素，地球上任何物体均有一个极限尺寸。风电机组也不例外，叶片的尺寸不可能无限增加。
首先，重量是第一要考虑要素。叶片的重量会随着叶片长度的立方而增加，同时，为了保证结构的可靠性和安全性，各个部件需要使用更多的材料进行加固，而这又会增加额外的重量，给大型机组的设计带来更大的挑战。丹麦维斯塔斯公司10MW机组的每一个叶片都重达35吨，机舱达到近400吨；美国通用电气公司即将推出的机组将安装55吨的叶片、600吨的机舱和2550吨的塔架。
其次，需要考虑材料性能的极限。理论上讲，只有风电叶片组成材料具有充分的结构承载性能，支撑它不断变大。目前，风电叶片主梁广泛采用碳纤维材料体系（可以说这是最强的材料体系），未来叶片的材料，几乎没有比它更优异的选择了。我们根据碳纤维的极限大致推测，最大的叶片将很快就会超过150米，有些人预测叶片的极限长度是275米。
18MW中速全集成海上风电机组完成安装。图片来源：央视新闻
再次，需要考虑损耗情况。基于当前设计（默认空气不可压缩），叶尖的线速度必须限制在每秒90米以内，所以，叶轮更大转速更慢。但即便如此，叶尖的高速运动也会使叶片与雨滴、海浪碰撞，具有严重的侵蚀风险。3年之内，海上风电叶片的前缘形状就会受到损伤，发电效率会显著下降。
最后，不能忽视运输问题。每一个近似“大本钟”大小的叶片都必须进行一体运输，这需要巨大的港口、巨型船只和起重机。由于陆地道路宽度、涵洞等条件限制，陆上叶片运输已进入“瓶颈”，目前超大型风电叶片均安装在海上。
“大型化”未来
引领“极限”尺寸
风电机组不断增大的过程，各种问题也愈加凸显。目前工程师仅仅是将叶片延长，塔架升高，对核心部件进行加固处理。在设计思路上也并未发生变化，比如尺寸相差10倍的大机组和小机组，在本质上并没有差异。
叶片作为风电机组的核心部件，始终是机组大型化发展过程中无法绕开的部分。主流的风力机采用三叶片方式，但其实两只叶片也可以吸收大致相等的风能，产生相近的电量。 显然，如果风力机采用两叶片方案，其整体重量会大幅减轻，叶片长度也会相应增加，但两叶片方案会产生严重的不平衡载荷，不利于机组的长期稳定运行，这就是它很少出现在市场上的原因。
针对叶片运输问题，最直接有效的解决方案就是将叶片分成两段或多段。 相对于单体叶片，为了保证分段连接区域的可靠性和安全性，分段叶片的重量往往更大，载荷水平更高，对机组的大型化发展并不友好，设计难度更大。尽管如此，目前多家风电企业正积极投入到分段叶片的研发工作中，将于近些年陆续问世。
结语
十年前，风力发电还属于新兴产业，当时的主流观点认为它的商业化运行并不可行。如今，风电产业发展正以前所未有的速度占据能源电力市场，尽管风力发电机的尺寸在不断增加，但可以预见的是，它的极限尺寸将在未来5年-10年内接近或达到极限。很快，我们即将见证新的历史。
参考文献
[1] VACLAV SMIL：Wind Turbines Just Keep Getting Bigger, But Theres a Limit The biggest blades will soon top 100 meters, and some people are talking of 275 meters—but the laws of physics must be taken into account
[2] Simon Hogg：Wind turbines are already skyscraper-sized – is there any limit to how big they will get?
[3] Wind turbines are already skyscraper-sized – is there any limit to how big they will get?
策划制作
出品丨科普中国
作者丨城明辰 科普创作者
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林
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