风力发电机是如何工作的

风力发电机是如何工作的？

风能

风力发电机利用风来发电，风能是一种清洁、免费、广泛可用的可再生能源。

风电机的工作原理

风电机利用螺旋桨叶的空气动力将风能转化为电能，风电机的螺旋桨叶工作原理和飞机的机翼、直升机的螺旋桨类似。当风吹过叶片，叶片的一侧气压降低。桨叶两侧气压差会造成升力和阻力。当升力大于阻力时，桨叶就带动风轮转动。风轮与发电机连接，可以是直接连接（直驱式涡轮机）或者通过一根轴和一系列齿轮（齿轮箱）间接连接，间接连接能够提高转速，并且能使用体积更小的发动机。这种空气动力转化为发电机旋转的过程就就会产生电能。

一座风电场如何运行

风电场在同一处地点设置一组风力发电机来发电。风电场的选址受到一系列因素的影响，例如风力条件、周边地形、电力传输接入，以及其他选址的考虑因素等。在公共事业规模（Utility-Scale，其实就是大型发电站，相对于私人而言）的风电场中，每台风电机产生的电力都会输送到变电站，然后传输到电网，为社区供电。

风电场

输电线

电力传输

输电线将高压电从风机和其他形式发电机传输到需要电力的地方。

变压器

变压器接受交流电输入，然后升高或降低其电压，使其符合传输要求。风电场使用升压变压器提高电压（来减小电流），从而减小长距离输电时大电流造成的损耗。当电力到达社区，变压器降低电压，使其在社区内安全可用。

变电站

变电站连接电力传输系统和配电系统，配电系统将电力输送到社区。变电站内，变压器将高压电转换成低压电，从而将电力安全输送给消费者。

风机塔筒

塔筒由筒状钢制成，支撑着涡轮机结构。塔筒通常分为三段，三段在现场组装起来。由于风速随着高度增加，塔筒越高，捕获的能量越多，发电也就越多。30米或更高的海拔对风力发电来说都不够。

风向

风向决定涡轮机的设计。如图所示，逆风涡轮机面向风，而顺风涡轮机背向风。大多数公共事业规模的陆基风电场都是逆风涡轮机。

风向标

风向标测量风向并与偏航系统通信，偏航系统根据风向调节涡轮机到合适的朝向。

风速计

风速计测量风速，并将风速信息传递控制器。

桨叶

大多数涡轮机具有三片桨叶，桨叶多由玻璃纤维制成。风机桨叶大小不一，但是典型的现代路基风机叶片一般都超过52米。最大的风机是 GE 的 Haliade-X 海上风电发电机，叶片长107米，和一个足球场长度相当。风吹过桨叶，桨叶一侧气压降低。桨叶两侧的压力差产生升力和阻力。升力大于阻力驱动风轮旋转。

陆基齿轮箱涡轮机

带齿轮箱的涡轮机上的传动系统由风轮、主轴承、主轴、齿轮箱和发电机组成。传动系统将风轮（由桨叶和轮毂组成）低速大扭矩的旋转转换成电能。

机舱

机舱位于塔的顶部，包含齿轮箱、低速和高速轴、发电机和制动。有些机舱比房子还大，对于1.5MW的有齿轮风机，机舱重量超过4.5吨。

偏航系统

在逆风向风机上，偏航系统根据风向变化旋转机舱，使其朝向迎风。偏航电机给偏航驱动器提供动力来实现功能。

顺风向风机不需要偏航系统，因为风力会吹动风轮远离。

变桨系统

变桨系统调节叶片相对风的角度，来控制风轮转速。通过调节桨叶角度，变桨系统能够控制桨叶接受能量的大小。变桨系统能使桨叶“羽化”，也就是调整桨叶的角度使得桨叶不产生转动风轮的力。羽化桨叶能够在让风轮在风速过高的时候减慢防止机器受到损伤，来保证运行安全。

轮毂

作为风机传动系统的一部分，桨叶安装在轮毂上，轮毂与风机的主轴相连接。

齿轮箱

传动系统由风轮、主轴承、主轴、齿轮箱和发电机组成。传动系统将风机风轮（叶片和轮毂组件）的低速高扭矩旋转转化为电能。

风轮

风轮由桨叶和轮毂共同构成。

低速轴

作为涡轮机传动系统的一部分，低速轴连接到风轮并以每分钟 8-20 转的速度旋转。

主轴轴承

作为涡轮传动系统的一部分，主轴承支撑旋转的低速轴并减少运动部件之间的摩擦，从而使来自风轮的力不会损坏轴。

高速轴

作为涡轮传动系统的一部分，高速轴连接变速箱，并驱动发电机。

发电机

发电机由高速轴驱动。铜绕组通过发电机中的磁场转动以产生电能。有些发电机由齿轮箱驱动（如图所示），另一些发电机则为直接驱动，风轮直接连接发电机。

控制器

控制器允许机器在大约 7-11 英里/小时 (mph) 的风速下启动，并在风速超过 55-65 mph 时关闭机器。控制器在较高风速时关闭涡轮机以避免损坏涡轮机的不同部分。控制器就像是风机的神经系统。

制动

风机制动器不像汽车中的制动器。变桨系统关闭后，涡轮制动器可防止风轮转动。一旦控制器控制桨叶停止，制动器就会阻止涡轮叶片移动，这是维护所必需的。

直驱式海上风力发电机

直驱式涡轮机简化了机舱系统，并且可以通过避免齿轮箱问题来提高效率和可靠性。它们通过将风轮直接连接到发电机来发电。

直驱风机风向标和风速计

风向标和风速计

风向标测量风向并与偏航驱动器通信，根据风向调整风机朝向。

风速计测量风速并将风速数据传输到控制器。

直驱风机偏航系统

直驱海上风机偏航系统

偏航电机为偏航驱动器提供动力，当风向改变时，偏航驱动器旋转逆风向风机上的机舱以使其保持迎风。

直驱风机叶片

直驱海上电机叶片

大多数涡轮机具有三个主要由玻璃纤维制成的叶片。当风流过叶片时，叶片一侧的气压降低。叶片两侧的气压差会产生升力和阻力。升力大于阻力，这会导致风轮旋转。GE Haliade X 涡轮机上的叶片长 351 英尺（107 米）——与一个足球场的长度差不多！

直驱风机变桨系统

直驱风机轮毂

风机桨叶安装到轮毂上。

直驱风机风轮

桨叶和轮毂共同组成了风轮。

直驱式发电机

直驱式发电机不依赖变速箱。它们使用巨大的永磁体环发电，永磁体通过固定的铜线圈时，永磁体与风轮一起旋转在线圈中产生电流。永磁体环的直径很大，使得发电机在以与叶片相同的速度（每分钟 8-20 转）转动时产生大量电力，因此不需要像其他发电机一样，使用齿轮箱将其加速到数千转每分。

直驱风机控制器

直驱风机制动

涡轮制动器不像汽车中的制动器。变桨系统关闭后，涡轮制动器可防止转子转动。一旦控制器停止涡轮叶片，制动器就会阻止涡轮叶片移动，这是维护所必需的。

直驱风机轴承

轴承支撑主轴并减少运动部件之间的摩擦，因此来自风轮的力不会损坏轴。

今天的文章风力发电机是如何工作的分享到此就结束了，感谢您的阅读。

风力发电机是如何工作的