全了！ | 原來風力發(fā)電機是這樣的！

策劃整理 | 風電頭條  霍文利

是什么

定義：風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為機械功，機械功帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設備。風力發(fā)電機一般有風輪、發(fā)電機(包括裝置)、調(diào)向器(尾翼)、塔架、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。

第一個發(fā)電的風車

歷史：人們利用風能的歷史有3000多年，1891年,丹麥人PoulLaCour第一個制造了用來發(fā)電的風車。1941-42丹麥的F.L.Smidth公司建造的風車可以看成世界現(xiàn)代風車的前身。

風力發(fā)電機原理

風力發(fā)電的原理，是將風能轉(zhuǎn)換為機械能，機械能轉(zhuǎn)換為電能的電力設備。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動機。是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。

風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。

風力發(fā)電機構(gòu)造

風力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。

機艙：機艙包容著風力發(fā)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力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風力發(fā)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。

軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風力發(fā)電機的低速軸上。

低速軸：風力發(fā)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。

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，或風力發(fā)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。

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。

電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風力發(fā)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力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風力發(fā)電機操作員。

液壓系統(tǒng)：用于重置風力發(fā)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。一些風力發(fā)電機具有水冷發(fā)電機。

塔：風力發(fā)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。

風速計及風向標：用于測量風速及風向

尾舵：常見于水平軸上風向的小型風力發(fā)電機（一般在10KW及以下）。位于回轉(zhuǎn)體后方，與回轉(zhuǎn)體相連。主要作用一為調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)向，使風機正對風向。作用二是在大風風況的情況下使風力機機頭偏離風向，以達到降低轉(zhuǎn)速，保護風機的作用。

風力發(fā)電機類型分類

依風機旋轉(zhuǎn)主軸的方向可分為：

水平軸式風機：轉(zhuǎn)動軸與地面平行，葉輪需隨風向變化而調(diào)整位置；

垂直軸式風機：轉(zhuǎn)動軸與地面垂直，設計較簡單，葉輪不必隨風向改變而調(diào)整方向。

按槳葉受力方式分：

升力型風機和阻力型風機

按槳葉數(shù)量分類分：

“單葉片”﹑“雙葉片”﹑“三葉片”和“多葉片”型風機；

按照風機接受風的方向分：

上風向型：葉輪正面迎著風向

下風向型：葉輪背順著風向，兩種類型。

按照功率傳遞的機械連接方式的不同分為：

“有齒輪箱型風機”和無齒輪箱的“直驅(qū)型風機”。

根據(jù)按槳葉接受風能的功率調(diào)節(jié)方式可分為：

“定槳距（失速型）機組和“變槳距機組

按照葉輪轉(zhuǎn)速是否恒定可分為：

“恒速風力發(fā)電機組和“變速風力發(fā)電機組

據(jù)風力發(fā)電機組的發(fā)電機類型可分為兩大類：

“異步發(fā)電機型” “同步發(fā)電機型”

異步發(fā)電機按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同又可分為：

(a) 籠型異步發(fā)電機；(b) 繞線式雙饋異步發(fā)電機

同步發(fā)電機型按其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的磁極的類型又可分為：

(a) 電勵磁同步發(fā)電機；(b) 永磁同步發(fā)電機

根據(jù)風機的輸出端電壓高低化可分為：

“高壓風力發(fā)電機和“低壓風力發(fā)電機

根據(jù)風機的額定功率化可分為：

微型機：10 kW 以下

小型機：10 kW 至100 kW

中型機：100 kW 至1000 kW

大型機：1000 kW 以上（MW 級風機）

直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機

永磁同步發(fā)電機從結(jié)構(gòu)上分有外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子之分。

風力發(fā)電機維護

定期維護檢修

定期檢修維護工作的主要內(nèi)容有：風機所有聯(lián)接件之間的螺栓力矩檢查(包括電氣連接),各傳動部件之間的潤滑油脂和各項功能測試自檢。定期維護可以讓設備保持最佳期的運行狀態(tài),并延長風機的使用壽命。

風機運行中時,各聯(lián)接部件的螺栓長期運行在各種振動的合力當中,極易使其松動,為了不使其在松動后導致局部螺栓受力不均被剪切,必須定期對其進行螺栓力矩的檢查。

潤滑系統(tǒng)有稀油潤滑(或稱礦物油潤滑)和干油潤滑(或稱潤滑脂潤滑)兩種方式。

風力發(fā)電機的齒輪箱和偏航減速齒輪箱采用的是稀油潤滑方式,維護方法是補加和采樣化驗法,這些部件由于運行溫度較高,極易變質(zhì),導致軸承磨損。

風機日常維護

風機在運行中,經(jīng)常會出現(xiàn)一些故障必須到現(xiàn)場去處理,有時可進行一下常規(guī)的維護工作。

首先：要仔細檢查風機內(nèi)部的安全平臺和梯子是否牢固,升降機是否工作正常，塔筒里的照明是否良好，液壓站的表計壓力是否正常液壓油及齒輪箱油位是否在正常位置,轉(zhuǎn)動部件與旋轉(zhuǎn)部件之間有無磨損,齒輪油及液壓油的濾清器的指示是否在正常位置及運轉(zhuǎn)聲音等。

第二：聽一下控制柜里是否有放電的聲音或異常聲音,有聲音就可能是有接線端子松動,或接觸不良,須仔細檢查,聽偏航時的聲音是否正常,有無干磨的聲響,聽齒輪箱有無異響,聽剎車閘盤與閘墊之間有無異響,聽發(fā)電機的工作聲音和軸承有無異響,聽葉片的切風聲音是否正常。

第三：工作后要清理干凈工作現(xiàn)場,便于今后工作中觀察有無泄漏。

雖然上述的常規(guī)維護檢修項目并不是很完全,我們只要每次都能做到認真、仔細,一定能提前預防，盡早發(fā)現(xiàn)及時處理，防止出現(xiàn)故障隱患,提高設備的使用完好率和可利用率。

十款最火的風力發(fā)電機

歌美颯2.0風機

歌美颯G97-2.0是歌美颯2.0MW風機系列的最新成員之一，是市場上最常用最受歡迎的風機品牌。改風機是為了滿足日益增長的中低速風場高產(chǎn)能的需求而生產(chǎn)的。歌美颯2.0風機已經(jīng)在37個國家裝機22GW，成為市場上最成功的風機品牌之一，如今又有新出的G97-2.0MW風機。

金風GE82-1.5

金風GE82-1.5轉(zhuǎn)輪直徑為82m，掃風面積為5324平方米，切入風速是3米每秒，是三葉片、變漿變速、直驅(qū)永磁同步風電機組，機組生存溫度可達到-40攝氏度至+50攝氏度。

維斯塔斯V100-2.0

維斯塔斯V100-2.0直徑100米，葉片長度為49米，切入風速為3米每秒，掃風面積為7854平方米。在中低速風電場開發(fā)中提升風電產(chǎn)出，可在-30攝氏度的低溫下正常運行。由于其49米長的葉片，風機可以在中低速風場產(chǎn)出更多風電，將為客戶提供更多的利益。

金風GW93-1.5

金風GW93-1.5轉(zhuǎn)輪直徑為93米，掃風面積為6733平方米，切入風速是2.5米每秒，是三片葉、變槳距、永磁直驅(qū)風電機組，機組生存溫度可達到-40攝氏度至+50攝氏度。

GE 1.7-100

GE 1.7-100葉片直徑為103米，葉片長度為48.7米，與GE1.6-82.5相比掃風區(qū)域增大47%，在7.5米每秒的風速中比1.7-100AEP多產(chǎn)出24%的風電。GE1.7-100在7.5米每秒風度的總裝機中占比57%，遙遙領先。

金風GW87-1.5

金風GW87-1.5轉(zhuǎn)輪直徑為87米，掃風面積為5909平方米，切入風速為3米每秒，是三葉片、變槳距、是永磁直驅(qū)風電機組，機組生存溫度可達到-40攝氏度至+50攝氏度。

金風GW115-2.0

金風GW115-2.0轉(zhuǎn)輪直徑為115米，葉片長56.5米，切入風速為2.5米每秒。金風科技1152.0MW機組是新疆金風科技股份有限公司專門針對超低風速區(qū)域設計的一款新型機組，具有技術先進，可靠性高等特點，是金風科技最具優(yōu)勢機組之一。它在設計上實現(xiàn)了新的技術突破，采用了全新的設計概念“額定功率下最佳葉輪跟蹤”，顯著提升了吸風效率。

海裝風電HZ111-2.0

海裝風電HZ111-2.0風機直徑為111米，切入風速是3米每秒，掃風面積為9677平方米。是海裝風電針對中國弱三類風機需求開發(fā)的一款新產(chǎn)品，為三葉片、上風向、水平軸、電氣變漿、變速恒頻、主動對風、傳動鏈采用兩點支撐原理的機組。

維斯塔斯V110-2.0

維斯塔斯V110-2.0直徑為110米，葉片長度54米，掃風面積為9503平方米，能在3米每秒的風速中啟動，也能在-30攝氏度至40攝氏度的溫度區(qū)間正常運轉(zhuǎn)。

西門子SWT-2.3-108

西門子SWT-2.3-108直徑108米，葉片長度53米，掃風面積為9144平方米，是西門子2.3MW風機的新成員，它在低風速風電場中能產(chǎn)出更多風電，是獲得客戶高度認可的成功案例之一。

風機小知識

風機葉片為何很窄

首先大家要知道：風力機是用來吸收風能而不是用來阻擋風能的！

像家用風扇的扇葉有兩種，風扇是為了產(chǎn)生更大的風，而風力發(fā)電是為了更多的利用風能，產(chǎn)生一個讓它旋轉(zhuǎn)的力，也就是通過扇葉的弧度產(chǎn)生的向側(cè)面的力。

但是風能有一個問題，風吹的面積很大，如果扇葉面積大了，一是向后推的力太大，風力發(fā)電機會倒，二是風能利用率太低了（扇葉面積大了大部分風能都無法被轉(zhuǎn)換成側(cè)面的推力）。

現(xiàn)在采用的三葉片和低寬度（實度），在旋轉(zhuǎn)起來的情況下，能夠最大限度的吸收風能。葉片設置的寬了，反而影響氣流通過葉片旋轉(zhuǎn)平面，不利于風能的吸收，通過風輪旋轉(zhuǎn)平面前風速v1與平面后風速v2以一定比例時，其效率最高，為59.3％，也稱為貝茨極限。

風機為何是三個葉片

其實風機的葉片數(shù)目有1到8片甚至十幾片不等，但是常見的卻是三葉片風機。

先介紹一個有關風力發(fā)電機葉片數(shù)目的概念——風輪實度。風力機葉片(在風向投影)的總面積與風通過風輪的面積(風輪掃掠面積)之比稱為實度(或稱實度比、容積比)。圖2是單葉片、雙葉片、三葉片、12葉片四種風輪的示意圖，風輪實度的計算方法如下： S為每個葉片對風向的投影面積，R為風輪半徑，B為葉片個數(shù)，σ為實度 σ=BS/πR^2。

圖2中從單葉片到三葉片的風輪實度比低，是低實度風輪，12葉片的風輪實度比高，是高實度風輪。從圖中看三個細細的葉片似乎讓大多數(shù)

風都漏掉了，為什么不采用多葉片風輪以便接受更多風能呢？

圖3左圖是風通過普通三葉片的氣流示意圖，氣流通過葉輪做功后速度減慢，氣流體積有所增大。圖3右圖是風通過多葉片的氣流示意圖，多葉片大大增加了氣體通過的阻力，氣流會分開繞過葉輪流向后方，只有部分氣流通過葉輪做功。由于阻力大，通過葉片的風速也會降低，所以葉輪實際得到的風功率減少了，這就是多葉片風力機得不到更多風能的重要原因。

低實度少葉片風輪是不是讓絕大部分氣流漏掉了呢?也不是。低實度風力機運轉(zhuǎn)速度較高，葉片線速度較風速高許多倍，可掃過大部分通過的氣流，沒經(jīng)過葉片的僅是少部分，大部分通過的氣流都推動葉片運轉(zhuǎn)，大部分風能得到利用。選取多少葉片合適，國內(nèi)外做了大量實驗，二、三、四葉片是風力發(fā)電機常用的選擇，用得最多的是三葉片。當然選擇三個葉片還有風力機結(jié)構(gòu)強度、制造成本、噪音、外觀等原因。

多葉片風輪的實度大，風能利用率相對低一些。在風速穩(wěn)定的地區(qū)特別是低風速地區(qū)，根據(jù)不同用途，采用4至8個葉片的風力機有可能獲得較好的風能利用效果。

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