平潭海上风力发电项目中的物理知识解析

摘要：平潭县海上风力发电项目是我国新能源开发的重要工程，其工程项目中蕴含着较为丰富的和全面化的物理教学资源。通过对平潭海上风力发电项目中的物理知识进行解析，有助于帮助学生更好地强化物理知识技能学习和理解。文章将从能量转化理论、流体力学理论、电磁感应理论、结构力学理论等几个方面入手，就平潭海上风力发电项目中的物理知识技能进行解析，旨在通过研究可以提炼项目中的物理知识应用情境，为有效化教学提供坚实的素材支撑。

关键词：平潭；海上风力发电；高中物理；知识；解析

前言：平潭海峡位于世界三大风口之一的独特地理位置，使得其成为我国海上清洁风电能源开发与利用的重要选择场域。而平潭海上风力发电项目中融合了较为全面地物理知识，如融合了涵盖电磁学、力学等立体化的教学知识点和具体的应用场景，通过对平潭海上风电项目的剖析，可以提炼较为丰富的物理课堂情境素材，为强化学生对物理知识的迁移应用和培养学生的课程实践能力创造良好的前提条件。

一、能量转化理论：风能梯度势的搬运工

作为风力发电项目，平潭海上风力发电项目首先涉及到的物理知识为能量转化理论知识：将风能转变为电能。即借助海上较为丰富的气体流动空气推动风机叶片进行快速旋转，让空气分子和风机叶片之间发生较为频繁的动量交换，使得部分动能转化为风机叶片的机械能，驱动叶片转动，并通过叶片机械转动转变为电能，从而实现风力发电。通过增加一定的风机叶片面积，自然可以捕获更多的分量，进而实现发电量的提升。例如，平潭长江澳风电场的6MW机组，采用叶轮直径高达154米的超大风轮，相当于三架大型飞机首尾相连的长度，再加上平潭海域每年高达8～10m/s的风速，这使得单个叶片每秒扫过的空气体积成倍增加，自然可以提升风能到电能转化率，增加单台风机的电能转化量，进而提升发电的总量，满足更多家庭用电的需求。

二、流体力学效应：翼型升力的生成器

平潭海上风力发电项目中也包含着流体学物理效应。即根据伯努利原理，当空气气流流经上表面曲率相对较大的风机叶片时，它的流线密度逐步增加，进而导致风机叶片的空气动力流速加快，在液面表面形成不同的压强差，进而产生提升力推动风机叶片的转动，从而实现风力发电。通过优化叶片设计，自然可以减少叶片的湍流阻力，实现发电量的增加。例如，针对平潭台风频发的特点，在风机叶片的建设过程中，工程人员创造性的采用了碳纤维增强型叶片，使得前缘锯齿增加，气动外形得到全面地优化，进而减少了湍流阻力，确保在较高等级台风下仍然可以保持稳定的运转和发电，自然可以降低故障率和增加发电的效益。[1]

三、电磁感应定律：交变电流的驱动器

发电机的本质也是将机械能转化成对应电能的过程。平潭海上风力发电项目中也包含着电磁感应定律物理知识。如当风机叶片带动发动机转子快速旋转时，发动机的定子绕组切割永磁体产生对应磁感线，再根据法拉第电磁感应定律就可以在闭合的回路中产生对应的感应电流，从而实现风力发电。其中升力大小与气流攻角、具体风机的对应叶片形状密切相关，同时在海洋高盐、高湿的环境中，会在风机也表面产生对应的盐雾附着，导致叶片表面厚度和光滑度改变，因而影响边界层流动状态，这就要求设计者对翼型进行特殊设计，以减少上述情况的发生。例如，根据资料显示，平潭机组的风机叶片在设计过程中为了减少盐雾附着，采用了独特的钝尾缘翼型设计，这使得翼型后缘得以增厚，确保气流的攻角达到较高的度数仍然可以附着流动。同时，在设计过程中在翼型的前缘镶嵌3毫米聚氨酯防护层，可以较好维持表面的光滑度，进而避免对气动性能的影响，实现发电效益的提升。

四、结构力学响应：动态载荷的消纳器

平潭风力发电项目中也涉及到对应的结构力学物理知识，如海上风力发电机的结构需要同时应对波浪力、地震力、风荷载等多重的挑战，这就对塔架的支撑结构有了较高的要求，同时要充分考虑塔架的固有频率与叶片旋转频率的共振，以避免发生共振的情况造成海上风机的损坏。例如，结合上述原理，平潭海上风机设计过程中进行了智慧化设计。如塔架固有频率0.45Hz，可以避免了与叶片旋转频率的共振，形成了较好的安全隔离区。同时，塔顶安装高达20吨重的钢制质量块，借助弹簧-阻尼系统使得产生的振动可以相互抵消，自然可以较好地增加塔架的结构力学稳定性，减少故障发生率。[2]

总而言之，平潭海上风力发电项目中包含着较为丰富的物理知识和物理情境。通过强化对平潭风力发电项目工程的分解，可以有效提炼物理教学情境素材，全面实现steam教育理念的落地生根。高中物理教师进一步理解强化课程实践应用的重要性，并以平潭海上风力发电项目解析为依托，全面地结合具体的情境案例进行物理知识讲解和技能教授，让学生经历从项目知识分析到物理知识迁移应用的过程，从而有效帮助学生形成物理观念，培养学生核心素养。

参考文献：

[1]林微.科普渗透于高中物理课堂教学的研究与设计[D].广州大学，2023.

[2]许曼曼.自主游戏中教师指导策略提升的行动研究[D].广东技术师范大学，2023.