【翻译】风力发电机是如何工作的
【翻译】风力发电机是如何工作的?
原文链接:a Wind Turbine Works - Text Version
风能
风力发电机利用风来发电,风能风向标和风速计
是一种清洁、免费、广泛可用的可再生能源。
风电机的工作原理
风电机利用螺旋桨叶的空气动力将风能转化为电能,风电机的螺旋桨叶工作原理和飞机的机翼、直升机的螺旋桨类似。当风吹过叶片,叶片的一侧气压降低。桨叶两侧气压差会造成升力和阻力。当升力大于阻力时,桨叶就带动风轮转动。风轮与发电机连接,可以是直接连接(直驱式涡轮机)或者通过一根轴和一系列齿轮(齿轮箱)间接连接,间接连接能够提高转速,并且能使用体积更小的发动机。这种空气动力转化为发电机旋转的过程就就会产生电能。
一座风电场如何运行
风电场在同一处地点设置一组风力发电机来发电。风电场的选址受到一系列因素的影响,例如风力条件、周边地形、电力传输接入,以及其他选址的考虑因素等。在公共事业规模(Utility-Scale,其实就是大型发电站,相对于私人而言)的风电场中,每台风电机产生的电力都会输送到变电站,然后传输到电网,为社区供电。
输电线
输电线将高压电从风机和其他形式发电机传输到需要电力的地方。
变压器
变压器接受交流电输入,然后升高或降低其电压,使其符合传输要求。风电场使用升压变压器提高电压(来减小电流),从而减小长距离输电时大电流造成的损耗。当电力到达社区,变压器降低电压,使其在社区内安全可用。
变电站
变电站连接电力传输系统和配电系统,配电系统将电力输送到社区。变电站内,变压器将高压电转换成低压电,从而将电力安全输送给消费者。
风机塔筒
塔筒由筒状钢制成,支撑着涡轮机结构。塔筒通常分为三段,三段在现场组装起来。由于风速随着高度增加,塔筒越高,捕获的能量越多,发电也就越多。30米或更高的海拔对风力发电来说都不够。
风向
风向决定涡轮机的设计。如图所示,逆风涡轮机面向风,而顺风涡轮机背向风。大多数公共事业规模的陆基风电场都是逆风涡轮机。
风向标
风向标测量风向并与偏航系统通信,偏航系统根据风向调节涡轮机到合适的朝向。
风速计
风速计测量风速,并将风速信息传递控制器。
桨叶
大多数涡轮机具有三片桨叶,桨叶多由玻璃纤维制成。风机桨叶大小不一,但是典型的现代路基风机叶片一般都超过52米。最大的风机是 GE 的 Haliade-X 海上风电发电机,叶片长107米,和一个足球场长度相当。风吹过桨叶,桨叶一侧气压降低。桨叶两侧的压力差产生升力和阻力。升力大于阻力驱动风轮旋转。
陆基齿轮箱涡轮机
带齿轮箱的涡轮机上的传动系统由风轮、主轴承、主轴、齿轮箱和发电机组成。传动系统将风轮(由桨叶和轮毂组成)低速大扭矩的旋转转换成电能。
机舱
机舱位于塔的顶部,包含齿轮箱、低速和高速轴、发电机和制动。有些机舱比房子还大,对于1.5MW的有齿轮风机,机舱重量超过4.5吨。
偏航系统
在逆风向风机上,偏航系统根据风向变化旋转机舱,使其朝向迎风。偏航电机给偏航驱动器提供动力来实现功能。
顺风向风机不需要偏航系统,因为风力会吹动风轮远离。
变桨系统
变桨系统调节叶片相对风的角度,来控制风轮转速。通过调节桨叶角度,变桨系统能够控制桨叶接受能量的大小。变桨系统能使桨叶“羽化”,也就是调整桨叶的角度使得桨叶不产生转动风轮的力。羽化桨叶能够在让风轮在风速过高的时候减慢防止机器受到损伤,来保证运行安全。
轮毂
作为风机传动系统的一部分,桨叶安装在轮毂上,轮毂与风机的主轴相连接。
齿轮箱
传动系统由风轮、主轴承、主轴、齿轮箱和发电机组成。传动系统将风机风轮(叶片和轮毂组件)的低速高扭矩旋转转化为电能。
风轮
风轮由桨叶和轮毂共同构成。
低速轴
作为涡轮机传动系统的一部分,低速轴连接到风轮并以每分钟 8-20 转的速度旋转。
主轴轴承
作为涡轮传动系统的一部分,主轴承支撑旋转的低速轴并减少运动部件之间的摩擦,从而使来自风轮的力不会损坏轴。
高速轴
作为涡轮传动系统的一部分,高速轴连接变速箱,并驱动发电机。
发电机
发电机由高速轴驱动。铜绕组通过发电机中的磁场转动以产生电能。有些发电机由齿轮箱驱动(如图所示),另一些发电机则为直接驱动,风轮直接连接发电机。
控制器
控制器允许机器在大约 7-11 英里/小时 (mph) 的风速下启动,并在风速超过 55-65 mph 时关闭机器。控制器在较高风速时关闭涡轮机以避免损坏涡轮机的不同部分。控制器就像是风机的神经系统。
制动
风机制动器不像汽车中的制动器。变桨系统关闭后,涡轮制动器可防止风轮转动。一旦控制器控制桨叶停止,制动器就会阻止涡轮叶片移动,这是维护所必需的。
直驱式海上风力发电机
直驱式涡轮机简化了机舱系统,并且可以通过避免齿轮箱问题来提高效率和可靠性。它们通过将风轮直接连接到发电机来发电。
直驱风机风向标和风速计
风向标测量风向并与偏航驱动器通信,根据风向调整风机朝向。
风速计测量风速并将风速数据传输到控制器。
直驱风机偏航系统
偏航电机为偏航驱动器提供动力,当风向改变时,偏航驱动器旋转逆风向风机上的机舱以使其保持迎风。
直驱风机叶片
大多数涡轮机具有三个主要由玻璃纤维制成的叶片。当风流过叶片时,叶片一侧的气压降低。叶片两侧的气压差会产生升力和阻力。升力大于阻力,这会导致风轮旋转。GE Haliade X 涡轮机上的叶片长 351 英尺(107 米)——与一个足球场的长度差不多!
直驱风机变桨系统
变桨系统调节叶片相对风的角度,来控制风轮转速。通过调节桨叶角度,变桨系统能够控制桨叶接受能量的大小。变桨系统能使桨叶“羽化”,也就是调整桨叶的角度使得桨叶不产生转动风轮的力。羽化桨叶能够在让风轮在风速过高的时候减慢防止机器受到损伤,来保证运行安全。
直驱风机轮毂
风机桨叶安装到轮毂上。
直驱风机风轮
桨叶和轮毂共同组成了风轮。
直驱式发电机
直驱式发电机不依赖变速箱。它们使用巨大的永磁体环发电,永磁体通过固定的铜线圈时,永磁体与风轮一起旋转在线圈中产生电流。永磁体环的直径很大,使得发电机在以与叶片相同的速度(每分钟 8-20 转)转动时产生大量电力,因此不需要像其他发电机一样,使用齿轮箱将其加速到数千转每分。
直驱风机控制器
控制器允许机器在大约 7-11 英里/小时 (mph) 的风速下启动,并在风速超过 55-65 mph 时关闭机器。控制器在较高风速时关闭涡轮机以避免损坏涡轮机的不同部分。控制器就像是风机的神经系统。
直驱风机制动
涡轮制动器不像汽车中的制动器。变桨系统关闭后,涡轮制动器可防止转子转动。一旦控制器停止涡轮叶片,制动器就会阻止涡轮叶片移动,这是维护所必需的。
直驱风机轴承
轴承支撑主轴并减少运动部件之间的摩擦,因此来自风轮的力不会损坏轴。