风力机基本部件介绍

叶片是捕捉风动能并推动风力机旋转的主要组成部分。风轮是发电机与风力机的旋转部分直接或通过齿轮箱耦合的部件。桨距能够改变叶片迎风角，以在风速变化时使得风力机保持恒定的速度。通过不同的桨距角，可以调节叶片迎风方向的有效表面。对于额定速度，可以将桨距角设置为零，使得叶片能够充分迎风。超出额定速度，可以增加桨距角，并因此有效减小了叶片表面积，最终维持恒速。制动器是机械减速器，可以防止发电机转速超出最大值。尽管叶片桨距也有助于减速，但制动器要比桨距控制响应更快。

低速轴连接到具有高匝比的齿轮箱上，它可以在低风速条件下为发电机提供更高的转速。齿轮箱是使风力机轴与发电机轴相耦合的组件。发电机是系统的机械能转换到电能的转换单元，它是由风力机械动力所驱动的。发电机的电力输出通过电力电子变换器连接到电网或者负载。作为系统的大脑，控制器负责控制发电机的转矩和速度，决定桨距角，控制偏航电动机以朝向风向，并控制电力电子接口。风速计是风速的测量设备，风向标为显示风向的高架设备，该仪器也可以与偏航机构一起使用来测量风向。机舱是系统的外壳，所有的发电部件（比如发电机、传动系统等）都放置在机舱内。高速轴驱动不带齿轮箱的发电机，其本质上是一个匝比小于低速轴的齿轮箱，在高风速条件下非常有效。偏航驱动确保了转子与风向一致，有助于风力机在任何时刻都朝向变化的风向，以产生最大的能量。偏航电动机设备为偏航机构的运行提供机械旋转动力。塔架支撑着风力机本体与其他部件。下面各节将详细介绍该系统的一些主要部件。

2.5.1.1 塔架

塔架的主要作用是支撑机舱和限制由于风速变化而引起的振动。连接发电机（塔架顶部，机舱内部）和输电线路（下部，塔架底部）的电缆就在塔架之内。塔架是支撑风力机、机舱、叶片和发电机等大部分部件的主要机构。

海上风力机和陆上风力机塔架的高度不同。较高的塔架更适合于风能采集，因为海拔越高，风中的湍流就越小。不过，塔架的稳定问题限制了它的高度。陆上风力机系统的塔架要比海上系统更高，因为地面要比水面具有更高的表面粗糙度^[12]。在水面上，几乎没有任何障碍，因此使用较低的塔架就足以捕获风能^[12]。在陆上的应用中，塔架周围的某些物体有可能会阻碍风速。在地表粗糙度较高的地区，就需要较高的风力机塔架来避免建筑物、山脉、丘陵、树木等风障物带来的影响。

2.5.1.2 偏航机构

偏航机构由偏航电动机和偏航驱动器组成，该机构转动整个机舱以对准风向。无论风向如何，偏航机构都能够通过改变机舱及叶片的方向，帮助风力机朝向风向。在机舱旋转时，塔架内部的电缆可能会扭曲。如果风力机保持向同一方向转动，电缆就会越来越扭曲，如果风力一直向同一个方向变化，就有可能出现这种情况。因此，风力机配有电缆扭曲计数器，它会通知控制器应该何时整理电缆。

2.5.1.3 机舱(www.xing528.com)

齿轮箱、发电机、控制电子设备都位于机舱之内，机舱通过偏航机构与塔架连。在机舱内，两根轴通过齿轮箱将风力机风轮与发电机转子连接起来。齿轮箱是连接风力机低速轴与电气机械高速轴的机械能转换器。

机舱内部的控制电子设备记录风速、风向数据、转子转速以及发电机负载，然后确定风力运行系统的控制参数。如果风向改变了，控制器就会给偏航系统发送一个指令，使得整个机舱和风力机朝向风向。

发电机是机舱的主要部分。这是最重的一部分，它产生电能并通过电缆传输到电网。风力机使用的发电机有多种不同的类型，根据发电机类型的不同，风力机可以恒速或者变速运行。恒速（FS）的风力机使用同步发电机，以电网频率决定的恒速运行。使用这些同步发电机并不是风力机的最佳解决方案，因为风速总在变化。变速风力机使用直流电机、无刷直流发电机（BLDC）和感应电机。直流电机因为存在电刷的维修问题而不常用。感应电机和无刷直流发电机更适合风能应用。用于能量采集的各种风力机组类型参见2.6节。

2.5.1.4 风轮

风轮，也称“低速转子”，通常有2～6个叶片。最常见的是3个叶片，因为它们可以被对称安装，保持系统轻便，并确保风力发电系统（WPS）的稳定性。双叶片风轮在切入速度时应力较高，因此风速和风力均不足以起动风轮的转动，而且最低起动风速值要求较高。叶片半径与从风中捕获的能量成正比，因此增大叶片半径就能够捕获更多的能量。

叶片作为空气动力学部件，由一种复合材料（比如碳或树脂玻璃等）制成，而且被设计得尽可能轻。叶片使用由风引起的升力和阻力，因此通过捕获这些力量，带动整个风力机旋转。叶片可以围绕其纵轴旋转来控制风能捕获量，这就是所谓的“桨距控制”。如果风速增大，桨距控制可以用于改变叶片的有效面积，从而使得风力机功率保持恒定。桨距角控制通常用于额定转速以上的风速。