风力发电入门详解（跟胖哥学物理风力发电技术）

在自然中，机械能存在形式有水能和风能。因为地球自转，阳光照射到地球角度不同，造成地球上不同区域的空气密度不同。太阳光照射在地球表面上，使地表温度升高，地表的空气受热膨胀变轻而往上升。热空气上升后，低温的冷空气横向流入，上升的空气因逐渐冷却变重而降落，由于地表温度较高又会加热空气使之上升，这种空气的流动就产生了风。

风经过大气温度变化把太阳能转化为动能，在空气流动中其实通常有两个方向，一个是竖直方向，这种空气流动往往在影响我们的飞行器，也是气压产生一个原因，而我们通常说风，是空气一种水平流动。当然在实际中风流动可以是任意方向的，利用正交分解，我们可以把它分解成竖直和水平两个方向。而在风力发电中，我们利用就是水平方向，即借助风力带到发电机来把风的动能转化为电能。

风力发电原理其实挺简单的，利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。因此，对于风力发电中，风车叶片都很大，因为只有当风车大叶片旋转后通过增速机才能保证一定速度，从而才能带到发动机平稳转动发出电来。

风力发电正在世界上形成一股热潮，当然要利用风力发电，当前风力资源必须丰富。而位于北欧芬兰、丹麦等国家刚好满足这一条件，因此风力发电在这些国家很流行，我国西部地区风力资源也丰富，因此作为一种新能源国家大力提倡。因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种特别清洁环保发电方式。

首先，我们来看看风力发电基本条件，那就是风速问题。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

我国近几年风电产业突飞猛进。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机 充电器 数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。

风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。因此，风力发电在技术精度上要高得多。下面我们就来看看风力发电一些关键元件:

机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。

转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。

低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，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：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，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，或风力发电机被维修时。

发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。　偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。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感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。

电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。

液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。

冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。

塔：风力发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。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。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比较便宜。

风速计及风向标：用于测量风速及风向。

变压设备:因为我们平时使用是220V交流电，而风力发电一般只有35伏，因此需要通过变压设备把电压提升，因为同样是交流电，因为只需要通过不同匝数线圈就很容易实现。

因为宜昌地区不属于风力资源丰富地球，因为一般风力发电机都是和太阳能混合的。通常也只给路灯等需要电力不大庭院灯来使用，因此不需要上网，在太阳能电池和风力发电机工作时，只需要一个电瓶就可以了，在工作是给电瓶充电，把电能转化为化学能，而晚上时，又电池工作，给用电器提供电能，把化学能转化为电能。

不过，在我们西边地区风力资源丰富，葛洲坝集体建立大型风力发电站。风力发出来电能需要经过并网，才能进入国家电网，因此存在着一个升压和并网技术，需要同学们经过专业学习后才能真正懂得。

风力发电利用的是自然能源，相对火电、核电等发电要更加绿色、环保，但是因为是一种新能源，技术还不完全成熟，譬如风向变化和风力大小变化都对风力发电是一些至关重要技术，还等着同学们将来突破。

2019年5月13日于夷陵吾同斋