风电机的基本原理

风电机的基本原理和部件组成

大部分小功率风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。但是，随着海洋用大功率风电机的研发并投入使用，风电机的转速不再恒定，叶片末的转速也由于叶片的增长而加大。所以推荐对不同类型的风电机单独查看其技术数据。风电机结构

一般风电机结构图

（1.轮毂 2.增速箱 3.机舱罩 4.联轴器 5.电控系统 6.发电机7.冷却器8.泵站9.偏航驱动10.偏航制动11.偏航轴承12.底座13.弹性底座14.叶片）

机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱前端是风电机转子，即转子叶片和轴。

转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。在600千瓦级别的风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米；而在5兆瓦级别的风电机上，叶片长度可以达到近60米。叶片的设计很类似飞机的机翼，制造材料却大不相同，多采用纤维而不是轻型合金。大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。采用碳纤维或芳族聚酰胺作为强化材料是另外一种选择，但这种叶片对大型风电机是不经济的。木材、环氧木材、或环氧木纤维合成物目前还没有在转子叶片市场出现，尽管目前在这一领域已经有了发展。钢及铝合金分别存在重量及金属疲劳等问题，目前只用在小型风电机上。。实际上，转子叶片设计师通常将叶片最远端的部分的横切面设计得类似于正统飞机的机翼。但是叶片内端的厚轮廓，通常是专门为风电机设计的。为转子叶片选择轮廓涉及很多折衷的方面，诸如可靠的运转与延时特性。叶片的轮廓设计，即使在表面有污垢时，叶片也可以运转良好。轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。

低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与变速齿轮箱连接在一起。在一般的风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱：齿轮箱连接低速轴和高速轴的变速装置，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸：高速轴以超过1500转/分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。

发电机：风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与普通电网上的发电设备相比，有所不同：风电机发电机需要在波动的机械能条件下运转。通常

使用的风电机发电机是感应电机或异步发电机，最新的风电机已经开始使用永磁同步发电机。目前世界上单机最大电力输出超过6000千瓦（德国enercon的E-112/114）。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子叶片调整风向的最佳切入角度。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来探知风向。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。值得注意的是，小功率级别的风电机都是通过统一的偏航装置调整所有叶片的角度，而最新的风电机大都是每个叶片设置单独的偏航系统。

电子控制器：一般都使用一台或多台不断监控风电机状态的计算机，用于控制偏航装置。一旦风电机发生故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过网络信号通知风电机管理中心。

液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。

冷却系统：发电机在运转时需要冷却。在大部分风电机上，发电机被放置在管内，并使用大型风扇来空冷，除此之外还需要一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油；还有一部分制造商采用水冷。水冷发电机更加小巧，而且电效高，但这种方式需要在机舱内设置散热器，来消除液体冷却系统产生的热量。。一些新型风电机也采用水冷和风冷并用系统（比如德国Multibrid的M5000）。

支撑塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。600千瓦风电机的塔高为40至60米，5兆瓦级别的塔高则超过100米。根据底座的不同，支撑塔可以为管状，也可以是格子状。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它重量轻，技术相对成熟（与海上石油钻井台原理相同）。

底座：早期小功率的风电机底座是包含在支撑塔内的，随着风电机单机功率越来越大，支撑塔也越来越高，对支撑塔底部的力学要求也越来越多，越来越复杂，所以目前的技术发展趋势是将底座从支撑塔中分离出来单独制造。目前现有的底座结构包括直杆式、三脚架和格状底座

风速计及风向标：用于测量风速及风向。

输出电压

小型风电机（100-150千瓦）通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至一万至三万伏，这取决于当地电网的标准。大的制造商可以提供50赫兹风电机类型（用于世界大部分的电网），或60赫兹类型（用于美国电网）。