風電技術常識

為什么轉子葉片呈螺旋狀？

大型風電機的轉子葉片通常呈螺旋狀。從轉子葉片看過去，并向葉片的根部移動，直至到轉子中心，你會發現風從很陡的角度進入（比地面的通常風向陡得多）。如果葉片從特別陡的角度受到撞擊，轉子葉片將停止運轉。因此，轉子葉片需要被設計成螺旋狀，以保證葉片后面的刀口，沿地面上的風向被推離。

轉子空氣動力學

為了解風在風電機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。黃色帶子距離軸的長度是葉片長度的四分之一。我們任由帶子在空氣中自由浮動。本頁的兩個圖片，其中一個是風電機的側視圖，另一個使風電機的正視圖。

大部分風電機具有恒定轉速，轉子葉片末的轉速為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，被吹得更加指向風電機的背部。這是顯而易見的，因為葉片末端的轉速是撞擊風電機前部的風速的八倍。

風電機結構

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

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

軸心：轉子軸心附著在風電機的低速軸上。

低速軸：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轉每分鐘。軸中有用于液壓系統的導管，來激發空氣動力閘的運行。

齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉速提高至低速軸的50倍。

高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉每分鐘運轉，并驅動發電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風電機被維修時。

發電機：通常被稱為感應電機或異步發電機。在現代風電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。圖中顯示了風電機偏航。通常，在風改變其方向時，風電機一次只會偏轉幾度。

電子控制器：包含一臺不斷監控風電機狀態的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發電機的過熱），該控制器可以自動停止風電機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風電機操作員。

液壓系統：用于重置風電機的空氣動力閘。

冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內的油。一些風電機具有水冷發電機。

塔：風電機塔載有機艙及轉子。通常高的塔具有優勢，因為離地面越高，風速越大。現代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優點在于它比較便宜。

風速計及風向標：用于測量風速及風向。

風電機發電機

風電機發電機將機械能轉化為電能。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，發電機需要在波動的機械能條件下運轉。

輸出電壓

大型風電機（100-150千瓦）通常產生690伏特的三相交流電。然后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三萬伏，這取決于當地電網的標準。

大型制造商可以提供50赫茲風電機類型（用于世界大部分的電網），或60赫茲類型（用于美國電網）。

冷卻系統

發電機在運轉時需要冷卻。在大部分風電機上，發電機被放置在管內，并使用大型風扇來空冷；一部分制造商采用水冷。水冷發電機更加小巧，而且電效高，但這種方式需要在機艙內設置散熱器，來消除液體冷卻系統產生的熱量。

啟動及停止發電機

如果你通過彈開一個普通開關，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

風電機可以使用同步或異步發電機，并直接或非直接地將發電機連接在電網上。直接電網連接指的是將發電機直接連接在交流電網上。非直接電網連接指的是，風電機的電流通過一系列電力設備，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

轉子葉片輪廓（橫切面）

風電機轉子葉片看起來像航行器的機翼。實際上，轉子葉片設計師通常將葉片最遠端的部分的橫切面設計得類似于正統飛機的機翼。但是葉片內端的厚輪廓，通常是專門為風電機設計的。為轉子葉片選擇輪廓涉及很多折衷的方面，諸如可靠的運轉與延時特性。葉片的輪廓設計，即使在表面有污垢時，葉片也可以運轉良好。

轉子葉片的材質

大型風電機上的大部分轉子葉片用玻璃纖維強化塑料（GRP）制造。采用碳纖維或芳族聚酰胺作為強化材料是另外一種選擇，但這種葉片對大型風電機是不經濟的。木材、環氧木材、或環氧木纖維合成物目前還沒有在轉子葉片市場出現，盡管目前在這一領域已經有了發展。鋼及鋁合金分別存在重量及金屬疲勞等問題，他們目前只用在小型風電機上。

風電機齒輪箱

為什么要使用齒輪箱？

風電機轉子旋轉產生的能量，通過主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發電機。

為什么要使用齒輪箱？為什么我們不能通過主軸直接驅動發電機？

如果我們使用普通發電機，并使用兩個、四個或六個電極直接連接在50赫茲交流三相電網上，我們將不得不使用轉速為1000至3000轉每分鐘的風電機。對于43米轉子直徑的風電機，這意味著轉子末端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流發電機。但如果你要將發電機直接連在電網上，你需要使用200個電極的發電機，來獲得30轉每分鐘的轉速。另外一個問題是，發電機轉子的質量需要與轉矩大小成比例。因此直接驅動的發電機會非常重。

更低的轉矩，更高的速度

使用齒輪箱，你可以將風電機轉子上的較低轉速、較高轉矩，轉換為用于發電機上的較高轉速、較低轉矩。風電機上的齒輪箱，通常在轉子及發電機轉速之間具有單一的齒輪比。對于600千瓦或750千瓦機器，齒輪比大約為1比50。

風電機偏航裝置

風電機偏航裝置用于將風電機轉子轉動到迎風的方向。

偏航誤差

當轉子不垂直于風向時，風電機存在偏航誤差。偏航誤差意味著，風中的能量只有很少一部分可以在轉子區域流動。如果只發生這種情況，偏航控制將是控制向風電機轉子電力輸入的極佳方式。但是，轉子靠近風源的部分受到的力比其它部分要大。一方面，這意味著轉子傾向于自動對著風偏轉，逆風或順風的汽輪機都存在這種情況。另一方面，這意味著葉片在轉子每一次轉動時，都會沿著受力方向前后彎曲。存在偏航誤差的風電機，與沿垂直于風向偏航的風電機相比，將承受更大的疲勞負載。

偏航機構

幾乎所有水平軸的風電機都會強迫偏航。即，使用一個帶有電動機及齒輪箱的機構來保持風電機對著風偏轉。環繞外沿的偏航軸承，及內部偏航馬達及偏航閘的輪子。幾乎所有逆風設備的制造商都喜歡在不需要的情況下，停止偏航機構。偏航機構由電子控制器來激發。

電纜扭曲計數器

電纜用來將電流從風電機運載到塔下。但是當風電機偶然沿一個方向偏轉太長時間時，電纜將越來越扭曲。因此風電機配備有電纜扭曲計數器，用于提醒操作員應該將電纜解開了。類似于所有風電機上的安全機構，系統具有冗余。風電機還會配備有拉動開關，在電纜扭曲太厲害時被激發。