風力發(fā)電機（wind turbines）是一種利用風能將其轉化為電能的裝置。它通常由風輪、發(fā)電機、定子和轉子和塔架組成。風輪是最重要的組成部分之一，通常由數(shù)個葉片組成，可以根據(jù)風的方向和強度轉動，產(chǎn)生電能。風力發(fā)電已經(jīng)成為一種廣泛使用的清潔能源技術，因為不會排放任何溫室氣體和有害物質(zhì)，也不會對環(huán)境造成污染。
工作原理
風力渦輪機是一種將風能轉化為機械能，再轉化為電能的設備，也稱為風力發(fā)電機。具體來說，風能會被風輪轉化為機械能，再通過發(fā)電機將機械能轉化為電能，最終通過變壓器提高電壓和輸電線路輸送電能。風力發(fā)電機的關鍵部件是風輪，通常由數(shù)個葉片組成。當風吹過風輪葉片時，葉片會受到氣流作用力而旋轉；風輪旋轉的動力會被傳遞給定子和轉子，使得轉子旋轉；轉子旋轉產(chǎn)生的磁場會穿過線圈，產(chǎn)生電能。其工作原理類似于傳統(tǒng)風車，通過風力帶動葉輪旋轉，從而收集風能，并通過增速機加速葉輪旋轉，最終產(chǎn)生電能。
發(fā)展現(xiàn)狀
Poul la Cour教授是風力發(fā)電研究的先驅(qū)者之一，于1891年在丹麥的Askov創(chuàng)建了風力發(fā)電研究所，并試用了一臺4葉片風力發(fā)電機。直到1910年，丹麥才建立了100座容量在5-25千瓦之間的小型直流風力發(fā)電站。然而，那時的風力發(fā)電技術還不成熟，主要限于小容量的直流發(fā)電，存在功率低、依賴風速和噪聲大等問題。1931年，世界上第一座中型風力發(fā)電機在前蘇聯(lián)的Balaclave建成，其容量為100 kW。隨后，丹麥于1957年成功研制了Gedser(蓋瑟)風力發(fā)電機組，該機組采用了直徑為24米的風輪，額定功率為200 kW，是一種三葉片、上風向、定槳距、帶有失速調(diào)節(jié)限制機組的功率、采用電動機械偏航、使用異步發(fā)電機的風力發(fā)電機組。隨著技術的不斷發(fā)展，風力發(fā)電機組的功率也不斷提高。1983年，波音公司研制的MOD一5b型風力發(fā)電機組開始投入運行，其額定功率為3.2 MW，風輪直徑達到98米。直到1990年末，世界上已經(jīng)有多個制造商開始生產(chǎn)兆瓦級別的風力發(fā)電機組。隨著技術的發(fā)展，21世紀的陸地風力發(fā)電機組一般采用2MW的容量和60-80米的風輪直徑，而近海風力發(fā)電機組則通常具備3MW以上的容量。現(xiàn)在，大型變速恒頻技術已經(jīng)成為風力發(fā)電的主要發(fā)展方向，雙饋變速恒頻風力機組成為國際市場上的主流機型，而直驅(qū)式風力發(fā)電機組也越來越受到關注。由定槳距恒速到變槳距變速恒頻的發(fā)展歷程，使得風力發(fā)電更加接近實現(xiàn)以最佳方式向電網(wǎng)提供電力的最終目標。
發(fā)電機結構
風輪葉片
風輪葉片是風力發(fā)電機的主要捕風部件，通過在風中旋轉來捕獲風能。風輪葉片通常由玻璃鋼、碳纖維或其他復合材料制成，以實現(xiàn)高強度和耐用性。葉片的形狀和長度會根據(jù)風力發(fā)動機的設計和環(huán)境條件進行優(yōu)化。
風輪軸
風力發(fā)電機的風輪軸是連接風輪和發(fā)電機的關鍵部件，其主要作用是將風輪旋轉的機械能轉換為發(fā)電機中的電能。
風輪罩
風輪罩是將風輪葉片包裹在內(nèi)的外殼，其主要作用是減少風輪葉片與環(huán)境的摩擦，并保護風輪葉片和軸線不受外界影響。
發(fā)電機
發(fā)電機是將風能轉換為電能的核心組件。風力發(fā)電機通常使用同步發(fā)電機或感應發(fā)電機，其結構和工作原理會根據(jù)不同類型的發(fā)電機有所不同。在同步發(fā)電機中，風輪軸與轉子相連，轉子通過磁力感應產(chǎn)生交流電流；而在感應發(fā)電機中，轉子通常是一個鋁質(zhì)圓盤，通過風輪軸與葉片相連，并由風力驅(qū)動旋轉。
塔架
風力發(fā)電機的塔架是支撐風力發(fā)電機和風輪的重要結構，其主要作用是提供足夠的高度，以使風輪可以捕捉到高速風能，同時也需要具備足夠的強度和穩(wěn)定性，以抵御風力發(fā)電機所受的風力荷載和地震荷載。通常，高度較低的塔架適用于風速較高的環(huán)境，而高度較高的塔架則適用于風速較低的環(huán)境。塔架通常由鋼制成，其結構可以是單支撐式、多支撐式、鉆孔式或鋼管式等。
控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)用于監(jiān)測和控制風力發(fā)電機的運行狀態(tài)，以確保其在不同環(huán)境下的安全性和效率。控制系統(tǒng)通常包括傳感器、控制器、保護設備等。
逆變器
逆變器用于將風力發(fā)電機的直流電轉換為交流電，并將其輸出到電網(wǎng)上。逆變器還可以控制風力發(fā)電機的輸出功率，以確保其穩(wěn)定運行和輸出電能的品質(zhì)。
發(fā)電機類型
按軸向分類
水平軸風力發(fā)電機
水平軸風力發(fā)電機主要由塔架、 風輪、機艙以及控制系統(tǒng)等部件構成。水平軸風力發(fā)電機塔架是風力發(fā)電機的安裝支撐，一般由混凝土結構、鋼架結構、圓錐鋼管焊接并組裝而成；風輪是風力發(fā)電機組接收風能的部件，一般由輪轂和2到3個葉片所組成；機艙是風力發(fā)電機組主要控制、傳動、發(fā)電的部分，由制動器、聯(lián)軸器、增速器、調(diào)速裝置和發(fā)電機等構成。水平軸風力發(fā)電機控制系統(tǒng)要完成自動啟動、停機、手自動無擾動切換、最佳葉尖速比控制、機艙扭纜、自動偏航、脫網(wǎng)關機、自動解纜控制、風電機組自動除濕、加熱、冷卻控制、液壓驅(qū)動、逆功率自動停機控制等功能。
垂直軸風力發(fā)電機
垂直軸風力發(fā)電機是一種風力發(fā)電機的類型，它與傳統(tǒng)的水平軸風力發(fā)電機不同，其主要特點是旋轉軸垂直于地面，風輪旋轉平面與風向平行。相對于水平軸風力發(fā)電機，垂直軸風力發(fā)電機在結構設計和風能利用方面具有一定的優(yōu)勢，比如垂直軸風力發(fā)動機的主要優(yōu)勢在于不需要偏航系統(tǒng)，設計得到顯著。相對于水平軸風力發(fā)電機具有更廣泛的風向接受能力和更低的風速啟動能力，特別適合于城市和鄉(xiāng)村的道路兩旁邊、建筑物樓(房) 頂?shù)取?/p>
按裝置規(guī)模分類
大型風力發(fā)電機
大型風力發(fā)電機主要組成部分有 ：變速器、葉片、主軸、 發(fā)電機、控制系統(tǒng)以及塔架等部分組成。控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組的最為核心的一部分部分，它的作用就是保證風力發(fā)電機組可以安全可靠地運行。變速箱主要由箱體、行星輪系和變速箱機構三部分組成。變速箱機身加工，變速箱屬于大型箱體，而且根據(jù)不同的發(fā)電量來區(qū)分，很多都為分裂結構。葉片的材料和形狀會影響發(fā)電機的效率和性能，一般采用玻璃鋼增強塑料或碳纖維等復合材料。
小型風力發(fā)電機
小型風力發(fā)電機是指產(chǎn)生較小電能的風力發(fā)電機，通常適用于一些輕負載的應用場景，例如家庭、農(nóng)村、工業(yè)園區(qū)、遙遠地區(qū)等，用于為這些場所提供部分電力需求。小型風力發(fā)電機具有成本較低、易于維護等優(yōu)點，但發(fā)電效率相對較低。
應用領域
城市發(fā)電
風力發(fā)電機可以安裝在城市的高層建筑、橋梁、高速公路、市政設施等地方，為城市提供清潔、可再生的電力。
農(nóng)村電力
風力發(fā)電機可以安裝在農(nóng)村地區(qū)的小型發(fā)電站、村莊等地方，為農(nóng)村地區(qū)提供清潔、可再生的電力，解決電力供應不足的問題。
海上風電
風力發(fā)電機可以安裝在海上，利用海上風能為海岸線和島嶼提供電力。海上風電是一種具有廣闊前景的新興產(chǎn)業(yè)。
山區(qū)發(fā)電
風力發(fā)電機可以安裝在山區(qū)的高山、丘陵、山脊等地方，為山區(qū)地區(qū)提供清潔、可再生的電力，解決電力供應不足的問題。
發(fā)展趨勢
大型化趨勢
隨著風電行業(yè)的發(fā)展，單機容量的增加可以更好地適應風電場建設的需求，提高風電場的規(guī)模化水平，減少建設占地面積，提高發(fā)電效率，降低成本。另外，增大單機容量還可以提高風力發(fā)電機的運行穩(wěn)定性和可靠性，降低維護成本，促進風力發(fā)電技術的發(fā)展。在實際應用中，應根據(jù)不同區(qū)域的風力資源和用電需求合理增加單機容量，同時考慮風力發(fā)電機的接受范圍和特殊需求。
海上風電發(fā)展
海上風電是未來風電發(fā)展的重要方向。相比陸上風電，海上風電具有風能資源更加充沛，風速更穩(wěn)定、更大、更持久的優(yōu)勢，能夠提高風力發(fā)電機的發(fā)電量。同時，由于海上風電不受地形和人口分布的影響，可以更好地避免對環(huán)境和生態(tài)的影響。
提高儲能技術
風力發(fā)電機的不穩(wěn)定性是其發(fā)電效率的一個瓶頸，因為風力資源的不可預測性和波動性可能會導致風力發(fā)電機產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出功率。因此，儲能技術對風力發(fā)電機的發(fā)展具有重要意義，能夠充分利用電力資源，避免高負荷運轉。主要使用蓄電池等儲能系統(tǒng)，可通過增大容量來提高利用效率。
智慧能源系統(tǒng)
未來風力發(fā)電將會更多地與其他清潔能源相結合，構建智慧能源系統(tǒng)。例如，智能微電網(wǎng)將風力發(fā)電機、太陽能電池板、電池儲能和能源管理系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)能源的高效利用和管理。同時，將風力發(fā)電機、儲能設備和智能控制系統(tǒng)相結合，可以實現(xiàn)對風力發(fā)電機組的智能監(jiān)測和控制，提高發(fā)電效率和可靠性。
環(huán)保型趨勢
未來風力發(fā)電機將越來越注重環(huán)保。風力發(fā)電機的材料和制造工藝將更加環(huán)保，減少對環(huán)境的污染。
參考資料 >