高中物理——风轮机问题

【专家解说】：解： 1.P=1/2*[ρ*（π*r^2)v]*v^2 2.以下供参考： 风叶片的片数 这是我们首先研究的问题。在参加过新能源风力发电比赛之后，我们得知两片风叶片的发电效率比片数多的风叶要高，这就是我们产生了疑惑。于是我们进行了试验。 我们控制了风叶的材料，角度，和形状相同，分别测试了叶片数为2片、3片、4片及6片的风叶，观察其最高发电效率和启动时间后得出一下结论（忽略误差的理想情况）：在风叶片的材料，角度，和形状相同且风速恒定时，叶片数越少，发电效率越高，启动越慢。反之反之。 叶片的片数越少，阻力就越小，但是需要启动的时间和风力就大。如果是运用到实际中去，由于风速的大小不稳定，在风速小的时候，2片叶片的优就不大，所以现在风力发电广泛地运用3片叶片发电。还有一个原因是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。 所以利弊权衡一下，还是3片风叶片的发电效率最好。 风叶叶片的角度 我们控制了风叶的片数，材料和形状不变，分别取叶片30°、45°、60°、90°的角度进行了研究。因为角度有很多种，我们不能一一去研究，所以就选择了几个特殊角进行了实验。 实验结果表明（理想化）：在风叶片的材料，片数、形状及所受风力大小相同时，风叶的角度越小，发电效率越高，启动速度越慢。反之反之。 风叶片的角度大，风叶两边所受的风力差就大，所以受到的启动力就大。但是在风叶旋转的过中，这个被折起的角度又会形成一个阻力。然而风叶片的角度小，启动的力小，最高发电效率就高。 还是这个问题，在新能源的比赛中，我们可以尽量把角度折的小一些来获得更高的效率，那是因为风速稳定且比较大。真正要把风能高效率转化为我们所能利用的能，我们需要时时刻刻改变风叶的角度来获得最好的效果。 在风力发电机的尾部有一个舵，可以根据风向自动调整角度，不管是什么风向的，都可以转到适宜的角度，使风电机的受风力处于最大位置。比较大的风力发电机还都安装了测风的风速传感器和风向传感器，能根据风向和风力大小自动调整角度。我们可以根据这种思想，发明一种可以根据风力大小自动调节风叶角度的装置，从而达到最佳的发电效率。 风叶也片的材料 接着我们又考虑到了一个问题——风叶片的材料。在控制了风叶片的片数、角度、形状及所受风力相同，分别制作了塑料、纸片，硬纸片和铝片的风叶进行研究。这其中的误差比较大，因为塑料风叶是现成就有的，我们就根据这个风叶作为模子制作其他风叶。但我们的手工毕竟比不上机器，而且铝片是从啤酒罐上取下来的，并不十分平整，这些都是影响实验结果的因素。所以一下的出的结论都是突出主要因素，忽略次要因素的。 结论是：在风叶片的片数、角度、形状及所受风力相同时，材料硬越大，发电效率越高，角度对其的影响不大。 所以在选择风叶片材料的时候，应该选择硬度大且质量小的材料。 大型风电机上的大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。采用碳纤维或芳族聚酰胺作为强化材料是另外一种选择，但这种叶片对大型风电机是不经济的。木材、环氧木材、或环氧木纤维合成物目前还没有在转子叶片市场出现，尽管目前在这一领域已经有了发展。钢及铝合金分别存在重量及金属疲劳等问题，他们目前只用在小型风电机上。还有一部分是用玻璃钢制造的，都是农村小厂子生产的，但是虽然是农民生产的，但是据说磨具全是进口的，而且非常精密，制作很简单，成本低廉。