在广阔的田野上，浩荡的海水里，洁白的风车笔直挺拔，三个像飞机机翼一样的扇叶悠闲地转动。这慢悠悠的速度却能为整个地区供电，它是怎么实现的呢？
风力发电机的原理
以水平轴式三叶片风轮为例。
风车前端的三个大型叶片受风力作用开始转动，带动轮毂连着主轴，将扭矩传给齿轮箱，大齿轮缓慢转动，又带动小齿轮快速转动，产生增速作用，小齿轮驱动发电机中的转子在一个线圈内旋转而切割磁感线，根据电磁感应原理产生了电流。
电流通过电机塔内的电缆进行传输，并导入底部的变压器，电流又被转换为较高的电压，可以进行较长路途的传输。为了日常用电，再被降压为较低的电压，从这个过程中可以看出叶片的旋转速度与电量没有直接关系。
叶片为何转得慢
因为叶片的重量较大，根据公式可以得到结论：如果转速不变，扭矩越大，功率则越高。
以常见的水平轴风力发电机为例，叶片越长，旋转的扭矩就越大。叶片的宽度则关系到横扫的空气面积，宽度越大，对风能的利用率越高。用1.5兆瓦风机来举例，叶片长达60米，叶片的重量约6吨，每分钟大约转18圈，其重量是0.75兆瓦风机叶片的1.8倍，转速只有3/4那么多。
为何不采用小叶片
一、转速快了，利用率就低了
如果把叶片做得小巧些，迎风面积减少了，转速虽然快，但是利用率低，产生的电量自然就少了。如果增加小风机的数量来增加电量，成本就变高了。但风机也不能设计地太大，于是经过科学测算，就有了现在所用大小的风机。
二、叶片转速过快会损伤风机
风速大，叶片转地快，发电量产生的也就越多。但是叶片重量较大，高速运转会产生一股强大的离心力，长时间的高速度离心运动会磨损叶片，速度太快还会导致叶片产生惯性，让发电机失去平衡。转速过快，风力发电机的支撑柱可能会断开，甚至可能会出现叶片折断、机舱过热着火等情况，大大增加了维修费用。如果配件从高空坠落，还会造成人员伤亡。
用两辆同样品牌性能的汽车来解释说明磨损原理：一辆时速30/km的车和一辆时速160/km的车，遇到紧急停车时，时速快的车子容易偏移，就会较大地磨损刹车片。因此叶片转动慢，可以保护风机，使其保持长期且稳定的速度运转。并且在遇到强劲风流的时候，内部就会开启保护模式，停止工作，终止发电。
三、转速过大会影响风能利用率
风机的转速如果为零，肯定无法把风能转化为电能。设想一下，如果转速变得无限大时，叶片飞速转动就会形成一个圆形的板面从而将迎面的风挡住，导致无法利用风能。只有风机叶片保持最佳转速时，风能利用率最高，当转速超过限定值时，电子控制器就出现干扰，头部的制动器强行阻止叶片转动。因此每个款式的风机都有最大转速，一旦发现风速过快，就会有控制系统停止风机工作。
四、低速转动可转化成高速
风机的叶片随风转动时，会带动内部的大齿轮一起转动，大齿轮带动小齿轮，使小齿轮转动速度变快，就像一个变速箱。我们从外部看，觉得叶片转动速度很慢，但实际上在机舱内部，由变速箱拉着发电机快速旋转。在风力的作用下，叶片每分钟不超过30转，但在增速机的运作下，发电机的齿轮可以达到每分钟1,500转，大约提高了50倍。所以有了变速箱，叶片转速再慢，也能保证电机正常运行。
风机叶片转动一圈，能发多少电
2023年研制的18兆瓦风机液轮直径达到了260米，扫风面积约5.3万平方米，一台机组每转一圈就能够产生44.8度电，每年可产出超过7,400万度的电能，同时满足4万户家庭一年的用电量。
因此风机远远看上去转得缓慢，但实际上内部“快马加鞭”、飞速运转，制造出源源不断的电量，输出到周围各行各业和千家万户。总之，风资源是大自然馈赠的礼物，它是取之不尽、用之不竭的。
风能发电相对于传统发电模式更节约成本、绿色环保，非常值得我们推广和使用。但是目前风机的调控和维护技术有待提高，人力成本较大。下一步我们要持续加强科技研发，通过人工智能改进发电机内部配件，随时检测风速和风机的状态，调整方向和速度，发现故障与预测问题，优化运行，从而提高发电效率和经济效益。
本文根据首届“沈括杯”科普短视频创作大赛获奖作品整理
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