風(fēng)力發(fā)電技術(shù)常識（圖文）(2002-7-2)轉(zhuǎn)子空氣動力學(xué)

為了解風(fēng)在風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)的側(cè)視圖，另一個使風(fēng)電機(jī)的正視圖。

大部分風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)的背部。這是顯而易見的，因?yàn)槿~片末端的轉(zhuǎn)速是撞擊風(fēng)電機(jī)前部的風(fēng)速的八倍。

為什么轉(zhuǎn)子葉片呈螺旋狀？

大型風(fēng)電機(jī)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(fēng)從很陡的角度進(jìn)入（比地面的通常風(fēng)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(yùn)轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子葉片需要被設(shè)計(jì)成螺旋狀，以保證葉片后面的刀口，沿地面上的風(fēng)向被推離。

風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

機(jī)艙：機(jī)艙包容著風(fēng)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)。維護(hù)人員可以通過風(fēng)電機(jī)塔進(jìn)入機(jī)艙。機(jī)艙左端是風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。

轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)電機(jī)上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設(shè)計(jì)得很象飛機(jī)的機(jī)翼。

軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)電機(jī)的低速軸上。

低速軸：風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動力閘的運(yùn)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(jī)械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機(jī)。它裝備有緊急機(jī)械閘，用于空氣動力閘失效時，或風(fēng)電機(jī)被維修時。

發(fā)電機(jī)：通常被稱為感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。圖中顯示了風(fēng)電機(jī)偏航。通常，在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)電機(jī)一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。

風(fēng)電機(jī)偏航裝置

風(fēng)電機(jī)偏航裝置用于將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到迎風(fēng)的方向。

偏航誤差

當(dāng)轉(zhuǎn)子不垂直于風(fēng)向時，風(fēng)電機(jī)存在偏航誤差。偏航誤差意味著，風(fēng)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(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電力輸入的極佳方式。但是，轉(zhuǎn)子靠近風(fēng)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(fēng)偏轉(zhuǎn)，逆風(fēng)或順風(fēng)的汽輪機(jī)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(fēng)電機(jī)，與沿垂直于風(fēng)向偏航的風(fēng)電機(jī)相比，將承受更大的疲勞負(fù)載。

偏航機(jī)構(gòu)

幾乎所有水平軸的風(fēng)電機(jī)都會強(qiáng)迫偏航。即，使用一個帶有電動機(jī)及齒輪箱的機(jī)構(gòu)來保持風(fēng)電機(jī)對著風(fēng)偏轉(zhuǎn)。本圖顯示的是750千瓦風(fēng)電機(jī)上的偏航機(jī)構(gòu)。我們可以看到環(huán)繞外沿的偏航軸承，及內(nèi)部偏航馬達(dá)及偏航閘的輪子。幾乎所有逆風(fēng)設(shè)備的制造商都喜歡在不需要的情況下，停止偏航機(jī)構(gòu)。偏航機(jī)構(gòu)由電子控制器來激發(fā)。

電纜扭曲計(jì)數(shù)器

電纜用來將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器，用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。類似于所有風(fēng)電機(jī)上的安全機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)具有冗余。風(fēng)電機(jī)還會配備有拉動開關(guān)，在電纜扭曲太厲害時被激發(fā)。穆格開發(fā)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳距控制系統(tǒng)(2008-4-8)日本穆格（Moog）開發(fā)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距控制系統(tǒng)，將正式涉足風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場。富士重工業(yè)已決定在該公司的風(fēng)力發(fā)電機(jī)“SUBARU80/2.0”（額定功率2.0MW）上采用，日本穆格還打算提供給其它公司。

槳距控制系統(tǒng)是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處環(huán)境的風(fēng)力狀況，改變?nèi)~片朝向（角度）的裝置。目的是通過控制葉片角度，在風(fēng)力較弱時提高轉(zhuǎn)速，而當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時則降低轉(zhuǎn)速，從而以穩(wěn)定的額定值發(fā)電。除這一功能外，該公司的槳距控制系統(tǒng)還可在暴風(fēng)時，避免風(fēng)力負(fù)荷過重而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)損壞，而且還可防振、防噪。

在額定功率為數(shù)MW級的大型發(fā)電機(jī)方面，為了提高輸出功率，葉片長度有變長趨勢（加大受風(fēng)部，例如SUBARU80/2.0的受風(fēng)部直徑為80m），強(qiáng)度要求越來越嚴(yán)格。另外，葉片最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的風(fēng)速有相當(dāng)大的差距，葉片因位置不同，最佳角度也不同。因此，出于安全性和發(fā)電效率的角度，日本穆格代表董事社長（美國穆格InternationalGroup副總裁、亞太地區(qū)總經(jīng)理）SeanGartland表示，槳距控制系統(tǒng)越來越重要。

該系統(tǒng)的組成部分包括：實(shí)際改變?nèi)~片角度的“EMA（電動致動器）單元”、控制EMA單元的“從驅(qū)動單元”、相當(dāng)于整個系統(tǒng)指令部的“主驅(qū)動單元”、用于電氣性連接主驅(qū)動單元與上游控制器（風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身的指令部）的“滑環(huán)”，以及檢測葉片角度的傳感器等。

從驅(qū)動單元與主驅(qū)動單元配備在支撐葉片的輪轂內(nèi)部，與葉片一同轉(zhuǎn)動?；h(huán)備有用于與轉(zhuǎn)動的主驅(qū)動單元連接的機(jī)構(gòu)。

EMA元件由AC伺服電動機(jī)、減速機(jī)及電磁制動器等構(gòu)成。一般來說，配備的個數(shù)與葉片數(shù)（SUBARU80/2.0為3個）相同。從驅(qū)動單元的數(shù)目也與EMA元件相同，不過其中1個由主驅(qū)動單元“兼任”。另外，主驅(qū)動單元還具有通過遠(yuǎn)程操作進(jìn)行維護(hù)的通信功能。主驅(qū)動單元具有與上游控制器及其它外部元件相互通信功能，僅這一點(diǎn)與從驅(qū)動元件不同。

主驅(qū)動單元定期接受來自上游控制器的指令（具體的葉片角度），并將其傳達(dá)給各從驅(qū)動單元。通過EMA單元來改變?nèi)~片角度。另外，還接受角度傳感器的反饋，檢查是否準(zhǔn)確地改