科普 | 风力发电机转一圈能发多少电？

01风力发电量怎么计算？

风力发电是指通过风轮转动带动发电机发电的一种方式。早期的风力发电机多用于泵水、发电和驱动机器等方面。而现在，风力发电已成为一种重要的可再生能源，被广泛应用于发电领域。

相信不少人都有过这样的疑惑：风力发电机转那么慢，一圈能发多少电？

（资料图：东方风电）

那么，首先要了解风力发电机的构成和原理。

风力发电机结构包括：叶片、轮毂、主轴、机架、控制器、齿轮箱、刹车装置、发电机、冷却系统、风速仪、风向标、偏航系统等。

它的发电原理是机组利用风力带动风车叶轮旋转，将风能转化为机械能，发电机再将机械能转化为电能，然后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，最后就可以变成千家万户使用的清洁风电了。依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

风力发电转一圈能够发几度电

风力发电的发电量主要受到风速和风轮的转速影响。

根据统计数据，一般情况下，一台2兆瓦的大型风力发电机每年可发电500-800万千瓦时的电能。具体而言，一台大型风力发电机转一圈所能发电的电量取决于多种因素，包括风速、风轮转速、风轮的尺寸和叶片的设计等。大致上，一台2兆瓦的风力发电机转一圈可以发电约0.01度电。

需要注意的是，不同型号、不同尺寸和不同设计的风力发电机，其每次转一圈所能够发电的电量可能会有所不同，具体的电量需根据实际情况进行计算。

举一个简单的例子来说明转一圈风力发电机可以发多少度电。

假设我们有一个直径为30米的风轮，高度为50米，转速为15转每分钟。该风力发电机的额定功率为1.5兆瓦，这意味着在风速为10米每秒的情况下，它可以发电1.5兆瓦。

在这种情况下，该风力发电机每秒可以转0.25圈，即15÷60=0.25。那么，当风力发电机转一圈时，它就可以发电1.5兆瓦×60秒×0.25圈=22.5度电。这意味着当风力发电机以15转每分钟的速度转动时，转一圈可以发22.5度电。

（资料图：中船风电）

当然，这只是一个简单的例子，实际情况可能会更加复杂。不同的风力发电机转速、高度、形状等因素都会对发电量产生影响。

我们可以通过以下步骤来计算风力发电转一圈可以发几度电：

1. 计算风能的公式为E=0.5ρAV?，其中E表示单位时间内通过横截面的能量，ρ表示空气密度，A表示涡轮机叶片的面积，V表示风速。可以看出，风速对风力发电的影响非常大。

2. 风力发电机组的转速是由风速决定的，转速越快，发电量也就越高。一般来说，涡轮机的额定转速是根据机组的装机容量和叶片的材料、数量、长度等因素来确定的。

3. 风力发电机组的输出电压一般是交流电，一般来说，输出电压的频率是50Hz或60Hz，电压的大小根据国家标准和电力系统的要求来确定。

4. 根据电能的公式E=P×t，其中E表示电能，P表示功率，t表示时间。我们可以得知，风力发电机组的输出功率越大，发电量也就越高。

综上所述，风力发电转一圈发几度电是一个非常复杂的问题，取决于风速、装机容量、转速、输出电压和功率等多个因素。一般来说，风力发电转一圈可以发几度电的具体数值是需要根据不同机组的参数来计算的。

02影响风力发电量的因素

“大风车”转一圈，最少能发大约1.5度电，最大可以达到几百度电。风力发电的发电量受到多种因素的影响，包括风速、风轮的叶片长度和数量、风轮的转速等。

（资料图：大唐西藏公司）

风轮转速和转一圈所需时间

风轮的转速和风的速度、风轮的尺寸、叶片的数量和设计等因素都有关系。根据统计，目前市面上的风力发电机转速一般在10-20转/分钟之间，其中大型的风力发电机转速约为15转/分钟。

因此，大型风力发电机转一圈所需的时间大约是：

60秒 ÷ 15转/分钟 = 4秒

一般来说，当风速较小时，风轮的转速也会较慢，发电量也会相应减少；当风速较大时，风轮的转速也会增加，发电量也会相应增加。

风速、叶片转速

根据能量守恒定律，的确风速越大提供的电能就越多，但我们的风能转换器在风速达到一定数值时，会因为强度过大而损坏，而且事实上，发电量不取决于叶片转速。

当叶片按照恒定的速度旋转时，机舱里的变速箱，能带动发电机的转子一起转。这个变速箱是行星齿轮的结构，行星齿轮就是一个大轮子带动好几个小轮子转，大轮子转一圈，小轮子就能转好几圈。

所以别看表面上风车叶片转的慢，其实只要调节变速箱的档位，里面的小发电机就能转冒烟。

而如果叶片超速旋转的话，不仅里面的小转子可能会转坏掉，更严重的时候，整个发电机都会毁掉。这是因为当风速超过风机限定速度时，叶片的离心率也会大大增强，惯性趋势会打破风机自身的平衡，导致叶片崩解或折断。因此，当风力太大时，风力发电机就需要停止工作。

叶片数量

那如何能提高风机的发电量呢？有人会问做成4个叶片行不行？理论上是可以的，但是没必要。做成4个叶片成本会大幅提高，而收益却跟不上，很不划算。

一般来说，无论是我们家里的电风扇，还是风机的风车，3个叶片都会比4个叶片更有效率一些。因为3片叶子可以形成不对称的力学动力，当一片叶片不具备动力势能时，其他的有动力势能的两片，可以轻松带动这一片转动，能节约不少能量。

叶片大小

其实，提升风力发电发电量更好的方式就是把叶片做大。

风力发电的原理主要是把风能转化为机械能，再把机械能转化为电。所以决定发电量大小的其实是叶片的长度和大小，叶片越大，受力面积就越大，转化的机械能就越多，功率就越大，相应发电量就越多。

目前2MW风机的叶片长度范围在48-59米，而5MW风机的叶片长度能超过60米，这也就能解释为什么你看到风车转得那么慢了，它的叶片更大，单机容量更高。

（资料图：中国中车）

不同的风向会影响风力发电吗？

风力发电机的头部集成有传感器和偏航系统，一旦风向标与风速仪采集到风向与风速变化，偏航系统就会督促偏航电机调整机舱位置，使其平稳地对准风向，最大效率利用风能。

除此之外，一个风机具体能发多少度电，是需要看它的单机容量的。

单机容量是什么意思呢？简单来说，就是表示这个风机一小时能发多少度电，比如单机容量1500千瓦，就是表示一小时能发1500度电。1500千瓦算是陆上风力发电机的最低规格了，我们就以这个最小的风车为例来计算。

当风速在3米每秒时，风机叶片就可以转动，转一圈大约要4秒左右，那么一小时就能转900圈，则每转动一圈的发电量为：1500÷900≈1.67度。不过这只是一个理论数值，实际要偏小一些，大约就是发1.5度。

一般来说，陆上风力发电机的单机容量较低，多为1500千瓦、2000千瓦、2500千瓦的规格；海上的单机容量较高，多为3000千瓦及以上。理论上单机容量越大，发的电就越多，当然成本也就越高。

在实际应用中，风力发电机的发电量还受到地理位置、季节和天气等因素的影响。比如，在山区或海岸地区的风力资源较为丰富，而在城市或平原地区则风力资源较为有限。同时，冬季和春季的风速较高，因此发电量也相对较大。在天气不好的情况下，如风力较小或风向不佳，风力发电机的发电量也会受到影响。

03 一座风力发电机多久能回本？

风力发电站的建造成本是非常高的，陆上风电场工程造价主要由以下几个部分构成：设备购置费、安装工程费、建筑工程费、其它费用、基本预备费、利息。各部分占总投资的比例不同，对总投资的影响也不尽相同。

目前我国风力的指导价格，根据不同类型，陆上风电分为0.29元，0.34元，0.38元和0.47元；海上风电则是0.75元，这个价格明显比2019年降了很多。按照这个电力价格计算，就算一个1.5MW风力发电满负荷运行，也就是每小时产生1500度电，那么从理论上来说，陆上发电站每年能够产生的收益大概在1314度电，对应的营收大概在460万左右。

以2MW风力发电机为例

风力发电机的成本构成

1.设备成本：风力发电机的设备成本主要包括发电机本身、塔筒、叶片、控制系统、电缆以及其他附属设备的费用。一台常见的2MW风力发电机设备成本约在2000万元人民币左右。

2.基础建设成本：基础建设成本包括土地征用费、地基建设费、道路建设费、变电站建设费等。这部分费用因地理位置和建设难度而异，一般约占总成本的20%至30%。

3.安装与调试成本：安装与调试成本包括风力发电机的安装、调试、并网以及初期运行维护等费用。这部分费用通常占设备成本的10%至15%。

4.运营成本：运营成本包括风力发电机的日常运行维护、人员工资、保险费用、税费等。这部分费用随着风力发电机的运行年限而逐渐增加。综合以上各项成本，建设一座2MW的陆上风力发电机总投资额约在3000万元人民币左右。

风力发电机的发电效益主要取决于其额定功率和当地的风速条件。

风力发电站的效益

以2MW风力发电机为例，假设其年利用小时数为2000小时（即平均每天运行约5.5小时），则一年的发电量约为400万度。

为了更具体地了解风力发电机的发电效益，我们可以进一步计算其每天能发多少电以及多久能回本。

1.每天发电量：假设风力发电机每天运行5.5小时，则每天的发电量约为2.2万度。

2.回本时间：回本时间取决于风力发电机的总投资额和电价。以当前中国平均电价0.5元/度计算，每年的发电收入约为200万元。考虑到风力发电机的运营成本和折旧费用，假设每年净利润率为50%，则每年的净利润约为100万元。

因此，回本时间约为30年。以上回本时间仅为理论计算值，实际回本时间可能因多种因素而有所不同。例如，风速条件、设备可靠性、电价波动、政策变化等都可能对回本时间产生影响。

（资料图：山西安装集团）

海上风电工程造价

海上风电项目投资成本地域性差异较大，主要由于每个海域的海床、地址、水文条件不同。江苏省是我国海上风电产业起步最早、产业链相对较为完善的地区，其海上风电项目的单位建设投资约为10000-12000元/kW，而广东省和福建省2个地区的海上风电项目的单位建设投资约在12000元～14000元/kW。

常规海上风电项目投资成本按照实体模块可以拆分成风电机组设备（含塔筒）、基础及施工、场内海缆、送出海缆、海上升压站、陆上集控中心、用海用地费用、辅助及其他（不含利息）。海上风电项目风机价格一般占风电场投资成本的34%-40%之间，随着离岸距离的上升，风机成本占比下降，基础及施工成本、海缆成本占比上升。

这些费用只是一个大概的费用，不同地区建设风力发电站，因为环境不同，远近不同，所以不同的项目建设成本是不一样的，但总体来说建一个风力发电站，每千瓦的建造成本大概在9000块钱到11,000块钱之间。这样算下来，1.5MW风力电站单个建造成本大概在1,350万到1,700万之间，个别偏远地区有可能达到2,000万以上。

（资料图：山西安装集团）

按照风力发电电站的建设成本以及对应的营收来看，一个风力发电站，如果没有任何补贴，至少需要13年到15年之间才能够回本，如果考虑后期的维护成本，甚至有可能需要15年以上。

当然，风力发电技术也在不断发展创新，例如在风轮设计上采用了更加科学的气动学原理，以提高风能的利用率；在控制系统上采用了智能化技术，使得风力发电可以更加精确地进行风向风速控制，从而最大限度地发挥风能的利用效益。还有一些新型风力发电技术，如振动风力发电、喷气风力发电等，也在逐步得到应用和推广。

来源综合自：风电之窗、科普贵州、 来福LifeSchool、数字化转型室、金乌新能