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為什么轉(zhuǎn)子葉片呈螺旋狀？

大型風電機的轉(zhuǎn)子葉片通常呈螺旋狀。從轉(zhuǎn)子葉片看過去，并向葉片的根部移動，直至到轉(zhuǎn)子中心，你會發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)子葉片將停止運轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子空氣動力學

   為了解風在風電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?nèi)斡蓭ё釉诳諝庵凶杂筛?。本頁的兩個圖片，其中一個是風電機的側(cè)視圖，另一個使風電機的正視圖。

   大部分風電機具有恒定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子葉片末的轉(zhuǎn)速為64米/秒，在軸心部分轉(zhuǎn)速為零。距軸心四分之一葉片長度處的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。

   轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600千瓦風電機上，每個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管，來激發(fā)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(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。

   高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)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(fā)電機：通常被稱為感應電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)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(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)幾度。

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

   液壓系統(tǒng)：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(fā)電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風電機具有水冷發(fā)電機。

   塔：風電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大。現(xiàn)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(nèi)部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優(yōu)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(fā)電機

   風電機發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。風電機上的發(fā)電機與你通?？吹降?，電網(wǎng)上的發(fā)電設備相比，有點不同。原因是，發(fā)電機需要在波動的機械能條件下運轉(zhuǎn)。

   輸出電壓

   大型風電機（100-150千瓦）通常產(chǎn)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(nèi)），電壓被提高至一萬至三萬伏，這取決于當?shù)仉娋W(wǎng)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(wǎng)），或60赫茲類型（用于美國電網(wǎng)）。

   冷卻系統(tǒng)

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

   啟動及停止發(fā)電機

   如果你通過彈開一個普通開關，將大型風電機發(fā)電機與電網(wǎng)連接或解開，你很可能會損毀發(fā)電機、齒輪箱及鄰近電網(wǎng)。

   發(fā)電機電網(wǎng)的設計

   風電機可以使用同步或異步發(fā)電機，并直接或非直接地將發(fā)電機連接在電網(wǎng)上。直接電網(wǎng)連接指的是將發(fā)電機直接連接在交流電網(wǎng)上。非直接電網(wǎng)連接指的是，風電機的電流通過一系列電力設備，經(jīng)調(diào)節(jié)與電網(wǎng)匹配。采用異步發(fā)電機，這個調(diào)節(jié)過程自動完成。

   轉(zhuǎn)子葉片

   轉(zhuǎn)子葉片輪廓（橫切面）

   風電機轉(zhuǎn)子葉片看起來像航行器的機翼。實際上，轉(zhuǎn)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(tǒng)飛機的機翼。但是葉片內(nèi)端的厚輪廓，通常是專門為風電機設計的。為轉(zhuǎn)子葉片選擇輪廓涉及很多折衷的方面，諸如可靠的運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)良好。

   轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)

   大型風電機上的大部分轉(zhuǎn)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(jīng)濟的。木材、環(huán)氧木材、或環(huán)氧木纖維合成物目前還沒有在轉(zhuǎn)子葉片市場出現(xiàn)，盡管目前在這一領域已經(jīng)有了發(fā)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量，通過主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發(fā)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(qū)動發(fā)電機？

   如果我們使用普通發(fā)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(wǎng)上，我們將不得不使用轉(zhuǎn)速為1000至3000轉(zhuǎn)每分鐘的風電機。對于43米轉(zhuǎn)子直徑的風電機，這意味著轉(zhuǎn)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(fā)電機。但如果你要將發(fā)電機直接連在電網(wǎng)上，你需要使用200個電極的發(fā)電機，來獲得30轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速。另外一個問題是，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量需要與轉(zhuǎn)矩大小成比例。因此直接驅(qū)動的發(fā)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(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。風電機上的齒輪箱，通常在轉(zhuǎn)子及發(fā)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到迎風的方向。

   偏航誤差

   當轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子區(qū)域流動。如果只發(fā)生這種情況，偏航控制將是控制向風電機轉(zhuǎn)子電力輸入的極佳方式。但是，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子傾向于自動對著風偏轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)子每一次轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。環(huán)繞外沿的偏航軸承，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(fā)。

   電纜扭曲計數(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)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(fā)。