【科普】風電技術常識

為（wéi）什麽轉子葉片呈螺旋狀？

大型風（fēng）電機的轉子葉片通常呈螺旋狀。從轉子葉片看過去，並向葉片的根部移動，直至到轉子中心，你會發現風從很（hěn）陡的角度進入（比地麵的通常（cháng）風向陡得多）。如果葉片從特別陡的角度受到撞擊，轉子葉片將（jiāng）停止運（yùn）轉。因此，轉子葉片需要被設（shè）計成（chéng）螺旋狀，以保證葉片後麵的刀口，沿地麵上的風向被推離（lí）。

轉子空氣動力學

為了解（jiě）風在風（fēng）電機（jī）的轉子葉片上的移動方式，我們將紅色帶子綁縛在模型風電機的轉子葉片末端。黃色帶（dài）子距離軸的長度是葉（yè）片長（zhǎng）度的四分之一。我們任由（yóu）帶子在（zài）空氣中自由浮動。本頁的兩個圖（tú）片，其中一個是風電機的側視圖，另一個使風電機的正視圖（tú）。

大部分風電機具有（yǒu）恒定轉速（sù），轉子葉（yè）片末的轉速為64米/秒，在軸心部分轉速為零。距軸心四分之一葉片長度處的轉速為16米/秒。圖中的黃色帶子比紅色帶子，被吹（chuī）得更加指向風電機的背部。這是顯而易見的，因為葉（yè）片末端的轉速是（shì）撞（zhuàng）擊風電機前部的（de）風速的八倍。

風電機結構

機艙：機艙包容著風電機的（de）關鍵設備，包括齒輪箱、發電機。維護人員可以通過（guò）風電機塔進入機艙。機艙左端是風電機轉子，即轉子葉片及軸。

轉子（zǐ）葉片：捉獲風，並將風力傳送到轉子軸心。現代600千瓦風電機上（shàng），每個轉子葉片的測量（liàng）長度大約為20米，而且被設（shè）計得很象飛機的機翼（yì）。

軸心：轉子軸心附（fù）著在風（fēng）電機的低速軸上。

低（dī）速軸：風電機的低速軸將轉子軸心與齒輪箱連接在一起。在現代600千瓦風電機上，轉子轉速相當慢，大約為19至30轉每分鍾。軸中有用於（yú）液壓係統的導（dǎo）管，來激發空氣（qì）動力閘的（de）運行。

齒輪箱：齒輪箱左（zuǒ）邊是低速軸，它可以將高（gāo）速軸的轉速（sù）提高至低（dī）速軸的50倍。

高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉每分鍾運轉，並（bìng）驅動發電機。它裝備有緊急機械閘，用於空氣動（dòng）力閘失效時，或風電機被（bèi）維修時。

發電機（jī）：通常（cháng）被稱為感應電機或異步發電機。在現代（dài）風電機上，最大電力（lì）輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動（dòng）機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子（zǐ）控製器操作，電子控製器（qì）可以通過風向標（biāo）來（lái）感覺風（fēng）向（xiàng）。圖中顯示了風電機偏航。通常，在風改變其方向時，風電機一次隻會偏轉幾度。

電子控製器：包含一台不斷（duàn）監控風電機狀態的計（jì）算機，並控製偏航裝置。為防止任何故障（即（jí）齒輪箱或（huò）發電機的過熱），該控製器可以（yǐ）自動停止風電機的（de）轉動，並通過電（diàn）話調製解調器來呼叫風（fēng）電機（jī）操作員。

液壓係統：用（yòng）於重置風電機的空氣動力閘。

冷（lěng）卻元件：包含一個風扇，用於冷卻發電機。此外，它包含一（yī）個油冷卻元件，用於冷卻齒輪箱內的油。一些風電機具有水冷（lěng）發電機。

塔：風電機塔載（zǎi）有機艙及轉子。通常高的塔具有優勢，因為離地麵越高，風速越大。現代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可（kě）以為管狀的塔，也可以（yǐ）是（shì）格子狀的塔。管狀的塔對於維修人員更為安全，因為他們可以通過內部的梯子到達塔頂。格狀的塔（tǎ）的優點在（zài）於它比較便（biàn）宜。

風速計及風向標：用於測（cè）量風速及風向。

風電機（jī）發電機

風電機發電機將機械能轉化為（wéi）電能。風電機上的發電機與你通常看到的，電網上的發電設備相比，有點不同。原因是，發（fā）電機需（xū）要在波動（dòng）的機械能條件下（xià）運轉。

輸出電壓

大型風（fēng）電機（100-150千瓦）通常產生690伏特的三相交流電。然後電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內），電壓被提高至一萬至（zhì）三萬（wàn）伏，這取決於當地電網的（de）標準。

大型製造商可（kě）以提供50赫茲風電機類（lèi）型（用於世界大部分的電網（wǎng）），或60赫茲類型（用於美國電網）。

冷卻（què）係統（tǒng）

發電機在運轉（zhuǎn）時需要（yào）冷卻。在大部（bù）分風電（diàn）機上，發電機被放置在（zài）管內，並使用大型風扇來空冷（lěng）；一部分製造商采用水冷。水冷（lěng）發（fā）電機更加小巧，而且電效高，但這種方式需要在機艙內設置散熱器，來消除液體冷卻係統產生的熱量。

啟動及停止發電機

如果你通過彈開一個普（pǔ）通（tōng）開關，將大型風電機發電機與電網連接或解開，你很可能會損毀（huǐ）發電機、齒輪箱及鄰近電網。

發電機電網的設計

風電機可以使（shǐ）用同步或異步發電機，並直接或非直接地將發電機連接在電網上。直（zhí）接電網連接指的是將發電機直接連接在交流（liú）電網上。非（fēi）直（zhí）接電網連接指的是，風電機的電流通過一係（xì）列電力設（shè）備，經調節與電網匹配。采用異步發電機，這個調節過程自動完成。

轉子葉片

轉子葉片（piàn）輪廓（橫切麵）

風電機轉子葉片看起來像（xiàng）航行器的機翼（yì）。實際（jì）上，轉子葉片設計師（shī）通常將葉（yè）片最遠端的部分的橫切麵設計得類（lèi）似（sì）於正統飛機的機（jī）翼。但是葉片內端的厚輪廓，通常是專門為風電機設計的。為（wéi）轉子葉片（piàn）選擇輪廓（kuò）涉及很多折衷的方麵，諸如可靠的運轉與延時特性。葉片的輪廓（kuò）設計（jì），即使在表麵有汙垢時，葉片（piàn）也可以運轉良（liáng）好。

轉子葉片的材質

大型風電機上的大部分轉子葉（yè）片用玻璃纖維強化塑料（GRP）製造。采用碳纖維或芳族聚酰胺作為強化材（cái）料是另外一種選擇，但這種葉片對大（dà）型風電機是不經濟的。木材、環（huán）氧木（mù）材、或（huò）環氧木（mù）纖維合成物（wù）目前（qián）還沒有（yǒu）在轉子葉片市場出現，盡管目前在這一領域已（yǐ）經有了發展。鋼及鋁合金分別存在（zài）重量及金（jīn）屬疲勞等問（wèn）題，他們目（mù）前隻用在（zài）小型風電機上。

風電機齒輪（lún）箱

為什麽要使用齒輪箱？

風電機轉（zhuǎn）子旋轉產生的能量，通過主（zhǔ）軸、齒輪箱及高速軸傳送到發電機。

為什麽要使用齒輪箱？為什麽我們不能通過主軸直接驅動發電（diàn）機？

如果我們使用普通發電機（jī），並使用兩個、四個或六（liù）個電極直接連接在50赫茲交流（liú）三相電網上，我們將不得（dé）不使用轉速為1000至（zhì）3000轉每分鍾的風電機。對（duì）於43米轉子（zǐ）直徑的風電機，這意味著轉子末端（duān）的速度比聲速的兩倍還要高。另外一種可能性是建造一個帶許多電極的交（jiāo）流發電機。但如（rú）果你要將發電機直接連在電網（wǎng）上，你需要使用200個電極的發電機（jī），來獲得30轉每分鍾的轉速。另外一個問題是，發電機轉子的質量需要與轉矩大小成（chéng）比例。因此直接驅動的發電機會非常重。

更低的轉（zhuǎn）矩，更高的速度

使用齒輪箱，你可以將風電機轉子上的較（jiào）低轉速（sù）、較高轉矩，轉換為用於發（fā）電機上的較高轉速（sù）、較低轉矩。風電機上的齒輪箱，通（tōng）常在轉子及發電機轉速之（zhī）間具有單一（yī）的齒輪比。對於600千瓦或750千瓦機器，齒輪（lún）比大約為1比（bǐ）50。

下圖顯（xiǎn）示了用於風電機的1.5兆瓦（wǎ）的齒輪箱。這（zhè）個齒（chǐ）輪箱有些不同尋常，因為在高速點的兩個發電機上安裝有法蘭。右側安裝在發電（diàn）機下的（de）橙黃色配件，是液壓驅動的緊急盤狀刹車。在背景處你可以看（kàn）到用（yòng）於1.5MW風電機（jī）的機艙的下半部（bù）分。

風電機偏航裝置

風電（diàn）機（jī）偏航裝置用於將風電機（jī）轉子轉動到迎風的方向。

偏航誤差

當轉子不垂直於風向時，風電機存在偏航誤差。偏航誤差意味著，風中（zhōng）的能量隻有很少一部分可以在轉子區域流動。如果隻發生這種情況，偏航控製將是（shì）控製向（xiàng）風電機轉子電（diàn）力輸入的（de）極佳方式。但是，轉子（zǐ）靠近風源的（de）部分受到的力比其它部分要大。一方麵，這意味著轉子傾向於自動對（duì）著風偏轉（zhuǎn），逆風或順風的汽輪機都（dōu）存在這種情況。另一方麵，這意味著葉片在（zài）轉子每一次轉（zhuǎn）動時，都會沿著受力方（fāng）向前後彎曲（qǔ）。存在偏航誤差的風電機，與沿垂直於風向偏航的（de）風（fēng）電機相比，將承受更（gèng）大的疲（pí）勞負載（zǎi）。

偏航機構

幾乎所有水平軸的風電（diàn）機都會強迫偏航。即，使用一個（gè）帶有電動機及齒輪箱（xiāng）的機構來保持風電機對（duì）著風偏（piān）轉。本（běn）圖顯示的是750千瓦風電（diàn）機上的偏航機構（gòu）。我們可以看（kàn）到環繞外（wài）沿的偏航軸承，及內（nèi）部偏航馬達及偏航閘的輪子。幾乎所有逆風設備的製造商都喜歡在（zài）不（bú）需要的情況下，停止偏（piān）航機構。偏航機構（gòu）由電子（zǐ）控製器來（lái）激發。

電纜扭曲（qǔ）計數器

電纜用來將電流（liú）從風電（diàn）機運載到塔下。但是（shì）當風電機偶然沿一個方向偏轉太長時（shí）間（jiān）時，電纜將（jiāng）越來越扭曲。因此（cǐ）風電機配備有電纜扭曲計數器，用於提醒操（cāo）作員應該將電纜解開了。類似於所有風電機上的安全機構，係統具有冗餘（yú）。風電機還會配備有拉動開關，在（zài）電纜扭曲太厲害時被激發。

來源：電力圈