七日世界风力发电机建家攻略

在这个视频中，我们将详细探究风力发电机的发电原理。风力发电机能将风的动能转化为电能。现在，我们将以一台两兆瓦的风力发电机为例进行分析。该发电机可供电的家庭数量因地区而异，具体取决于平均用电量。 从物理尺寸来看，这台发电机体型庞大，他的塔架高九十米，转子直径为九十米，叶片尖端到地面的总高度达一百三十五米。为了让大家更直观的理解这个高度，一百三十五米约等于三十五栋普通住宅叠加的高度，或相当于一栋四十层高楼的高度。 叶片的旋转速度会根据风力条件在每分钟十至十九转之间变化，在达到额定功率输出时，转速通常稳定在每分钟十四至十七转。 那么，风究竟是如何推动这些巨大的叶片旋转的呢？风力发电机的叶片运作原理与飞机机翼十分相似，其设计目的是在风吹过时产生升力。 叶片采用异形设计，这种精心设计的横截面轮廓能最大限度的实现风能转化。当风撞击叶片横截面时， 空气在叶片弯曲的上表面流动速度更快，而在较平坦的下表面流动速度更慢。根据薄努力原理，这会导致叶片上表面形成低压区，下表面形成高压区， 这种压力差会产生一种向上的力，即生力。生力会推动叶片向低压区移动。生力的方向与风向垂直，是推动叶片旋转的主要作用力， 而阻力则与叶片的运动方向相反，它是由空气分子与叶片表面相互作用时产生的摩擦力以及叶片表面的压力差共同引起的。 接下来我们先了解一些叶片的专业术语，以便更好的理解其形状和功能。叶片根部指叶片最靠近轮毂的部分，他将叶片与转子轮毂连接起来，并将所有载荷，包括弯矩、扭矩和陀螺力传递到主轴。叶片尖端指叶片的最远端，此处的运动速度最快。 异形即叶片的横截面形状，其设计只在最大化升力的产生。前缘纸叶片最先接触风的前端边缘，后缘纸气流离开叶片表面的后端边缘。异形纸连接前缘和后缘的直线距离。 将锯角纸叶片相对于旋转平面的角度，该角度可调节用于控制功率输出。风力发电机的叶片根部较厚且宽度较大，向尖端逐渐变细变窄。 叶片的结构类似于一个大型旋臂梁，其内部弯曲。硬力在固定的根部最大，沿叶片长度方向逐渐减小，在自由的尖端处硬力为零。 为了承受这种最大弯举，叶片根部需要采用最大最强的横截面设计。这种变细的设计还具有重要的空气动力学功能。叶片根部的运动速度最慢，而尖端最快。 对于直径为九十米，转速为每分钟十五转的转子，叶片尖端的速度可达约二百一十至二百五十五公里每小时。 运动速度较慢的宽而厚的根部，其设计目的是产生较大的启动扭矩，以便在低风速下带动转子开始旋转。而较窄的尖端则是为了在高速运动时最大限度的减少空气动力学阻力。 由于叶片尖端在空气中的运动速度比靠近轮毂的部分更快，且风以不同角度撞击叶片的不同部位。因此，叶片从根部到尖端通常会有十至二十度的扭转，以确保整个叶片长度上的将锯角始终处于最佳状态。 这种扭转设计能提高发电效率并防止叶片失速。为了产生电网所需的五十赫兹交流电，发电机的转速必须控制在一个有限范围内。对于典型的四级发电机，转速需保持在每分钟约一千四到一千六百转， 但风速始终在变化，因此需要借助变桨机构使叶片围绕其纵轴旋转，从而调节叶片捕获风能的多少，以维持转子的最佳转速。叶片根部设有一个集成轴承机构，该机构带有内齿圈， 轴承的外圈通过螺栓固定在轮毂上，内圈则通过螺栓与叶片连接。这种轴承设计既能让叶片围绕自身轴线旋转，又能确保叶片与轮毂之间保持稳固的机械连接。变桨机构中使用了一台安装在轮毂内的同步变桨电机，其额定转速约为每分钟一千五百转， 但仅靠这台电机自身的扭矩不足以克服风力推动巨大的叶片旋转，因此需要一套多级行星齿轮系统来增大扭矩并降低转速。在本型号发电机中，采用了两级行星齿轮系统，每级的减速比分别为五和六，总减速比约为三十。 随后，一个大型内齿圈由正齿轮驱动，最终的转动比约为三百五十，便将电机根据风力条件自动运行，每个叶片都能独立控制，以实现最佳性能和载荷平衡。 风力发电机的叶片并非完全刚性，而是具有一定的柔韧性。在高风速条件下，空气动力推力会将叶片向后推，导致叶片向塔架方向弯曲。如果转子完全水平，强阵风可能会使叶片尖端在旋转到最低点时弯曲到足以撞击塔架的程度。 为避免这种情况，转子轴会向上倾斜，使得叶片在一个远离塔架的平面内旋转。这种设计能增加叶片尖端与塔架臂之间的距离及塔架间隙，确保即使叶片在最大载荷下发生弯曲也能保持安全。 对于标准的两兆瓦风力发电机，这种倾斜角度通常在四至六度之间。底座板是实现转子倾斜的关键结构部件，可以将其理解为机舱的底盘或钢性底架。虽然塔架是完全垂直的，但底座板起到了结构蝎子的作用。 底座板通常是一块厚重的铸铁或焊接钢结构件，并非平坦的板材，而是经过特殊几何设计以实现倾斜效果。底座板的底部是水平的平面，而安装主轴和变速箱的顶部表面则加工成倾斜状。 当将主轴承和变速箱通过螺栓固定在底座板上时，他们会自动略微向上倾斜，从而无需采用复杂的弯曲轴设计。相关部件本身是直的，只是他们所安装的平台是倾斜的。 轮毂的形状并非简单结构，而是一个复杂的空心三维结构。它有三个用于安装叶片轴承的大型精密角度开口，一个位于前端的开口以及一个位于后端用于连接主轴的大型开口。 轮毂的内部结构设有臂板和肋条，既能承受巨大的结构载荷，又能为变桨系统留出足够的空间。轮毂将旋转叶片产生的机械能传递到主轴，通常由铸铁或球墨铸铁制成。对于两兆瓦的发电机，其重量约为十七至十八吨。 轮毂需承受来自叶片的多种力，包括扭矩、弯矩以及由风力变化引起的陀螺力。轮毂内部设有一个轮毂控制单元，负责控制叶片变桨机构，并通过滑环连接为变桨电机供电。 转子的中心是一块扁平的金属块，风撞击这块平面会产生阻力。因此在转子轮毂的前端安装了一个气动罩，即整流罩。 虽然整流罩看起来像一个简单的盖子，但它对发电机起着多项关键作用，通常由轻质玻璃纤维制成，具有抗腐蚀和抗恶劣天气的特性。其弯曲的形状能引导气流平稳的向外流向叶片，提高发电机的整体效率。 同时，它还能起到防雨、防雪、防烟雾和防雷击的作用，保护机舱内部昂贵的变向系统部件免受这些环境因素的损害。主轴的作用是将轮毂产生的低速旋转力传递到变速箱。 主轴通过螺栓与轮毂机械连接，并有两个主轴承支撑。这两个轴承能确保主轴在旋转过程中保持对中和稳定，同时吸收镜像力、轴向力和倾覆力矩等机械载荷，保护变速箱等下游部件免受过大受力。 主轴采用空心设计，这种设计在保证高缸度重量比的同时，还能减少材料用量。空心的内部还可作为便将电机控制所需的电线和数据电缆的通道，实现机舱与轮毂之间的电气和数据连接。主轴与变速箱输入轴之间通过收缩盘连轴器连接。 变速箱的输入轴是空心的，主轴会插入其中。收缩盘连轴器是一种高强度无键机械连接键，用于将空心轴固定在实心轴上。收缩盘安装在空心轴骨的外侧，它会紧紧挤压空心轴骨，使其牢牢抓住内部的实心轴。在运行过程中，二者实际上相当于一个整体。 标准的收缩盘通常由三部分组成，第一部分是带有锥形外表面的环及内环。第二部分是两个带有锥形内孔的环及外环，其锥形角度与内环匹配。第三部分是用于将外环拉合在一起的高强度螺栓， 当螺栓将两个锥形外环向彼此拉动时，外环会沿着内环的锥形斜面滑动。空间体积的减小会迫使内环收缩向内，对空心轴骨施加巨大的镜像压力，这种压力会使空心轴骨的直径略微缩小，从而紧紧加紧实心轴，在轴的整个圆周上形成摩擦。配合 发电机需要达到约每分钟一千五百转的转速，仅为每分钟十四至十七转， 因此需要一台总转动比约为一百的变速箱来将转速提升到所需水平。本型号发电机采用了三级变速箱，包括一级行星齿轮级和两级平行轴。斜齿轮级、 高扭矩输入级优先选用行星齿轮系统，因为载荷会分布在多个行星齿轮上，通常为三个。在本型号中，行星齿轮级的转动比为六，平行斜齿轮级的转动比分别为五和三点三。通过整个变速箱的转动，最终转速约为输入转速的一百倍。 在该变速箱设计中，有一根空心轴从输入端延伸到变速箱的另一侧，这根空心轴与输入轴一起旋转，且不与其他齿轮轴接触。来自主轴空心通道的电缆会穿过这根变速箱。空心轴为电线提供了一条到达变速箱另一侧的通路。 变速箱延伸出的空心轴上直接连接着一个滑环组建，该设备用于在旋转部件和固定部件之间传输电能和数据信号。滑环随轴旋转，而固定的碳刷则在滑环上滑动，保持持续的电气接触。 连接到碳刷的电线通过滑环系统连接到机舱控制单元，便将电机所需的电力以及来自轮毂传感器的数据信号都通过该系统与机舱控制单元进行双向传输。变速箱输出轴与发电机输入轴之间装有一个复合盘式连轴器， 该连轴器将变速箱与发电机连接起来，既能传递旋转动力，又能适应两轴之间的多种不对中情况。 复合盘组具有一定的柔韧性，可吸收不对中产生的偏差，同时又具备足够的抗扭刚度，能高效传递扭矩。更重要的是，这种连轴器能实现变速箱与发电机之间的电气绝缘。非导电的复合材料可防止有害电流泄露到变速箱轴承和轮齿中，避免这些部件过早磨损或损坏。 本风力发电机采用双馈感应发电机来发电，这是一种变速发电机，即使在转速变化的情况下也能产生恒定电压和频率的电能。 在双馈感应发电机的结构中，定子直接连接到电网，而转子则通过一套背靠背电力电子电流器连接到电网。转子绕组通过带碳刷的滑环连接到电力电流器可根据运行条件以精确的转差频率向转子注入电力或从转子提取电力。 这种系统使发电机能在较宽的转速范围内运行，通常为同步转速的正负百分之三十，同时仍能输出稳定的五十赫兹频率电能。 双馈感应发电机的运行模式主要包括以下三种，一、压同步运行。当发电机转速低于同步转速时，电力电流器通过滑环和碳刷向转子注入电力。这种额外的转子力磁能使发电机即使在较低转速下也能产生符合电网频率的电能。 二、同步运行，当转速达到每分钟一千五百转同步转速时，转子所需的粒子电流极小，几乎所有电能都通过定子产生。 三超同步运行，当发电机转速高于同步转速时，转子绕组中会感应出多余的电能。这些多余的电能通过滑环和碳刷流向电流器，再由电流器反馈到电网。 由于仅有约百分之二十五至百分之三十的总电能通过电流器传输，因此双馈感应发电机系统比全电流器系统更具成本、效益和效率优势。描述风力发电机运行风速限制的专业术语主要有以下三个， 一、启动风速指叶片开始旋转且发电机开始产生可用电能的最低风速，通常为每秒三至四米。 二、额定风速，指发电机达到额定最大输出功率两兆瓦时的风速，通常为每秒十一至十六米。 三、停机风速，指发电机允许安全运行的最大风速，超过该风速时，发电机将自动停机，以防止损坏，通常为每秒二十一至二十五米。 接下来我们将分析便讲控制系统在不同风速范围内的运行方式，低于启动风速即低于每秒三至四米，此时风速不足以产生电能。叶片会调整到约九十度的角度，即完全顺讲其前缘直接朝向来风方向。 这种状态能最大限度的减少空气动力升力，避免叶片不必要的旋转，从而防止部件磨损。启动风速至额定风速之间，将锯角保持在约零度，这是捕获电能效率最高的状态，能最大限度的产生升力，以提取风中可用的最大能量。 额定风速至停机风速之间，讲距角会主动调节，通常在零至三十度之间，这是变讲系统最活跃的工作阶段。控制系统会逐渐增大讲距角，释放多余的风能，使发电机保持在两兆瓦的额定功率输出，防止发电机和转动系统过载。 高于停机风速及高于每秒二十五米，叶片会完全顺降至九十度，通过空气动力学作用使转子停止旋转。当转子转速降至足够低后，会启动机械制动，作为二级安全措施。液压制动系统位于变速箱和发电机之间的高速轴上， 在正常运行状态下，制动器处于分离状态。液压动力单元提供的液压压力使制动前保持松开。 当风速达到停机风速时，叶片首先会缓慢顺降至九十度，通过空气动力学作用使转子停止。只有当转子转速充分降低后，才会启动机械盘式制动器，将转子固定在静止状态。 制动器还用于紧急停机场景，如变桨系统故障、电网断开或部件过热以及维护作业期间。 该制动系统采用故障安全设计，默认状态下，弹簧提供制动力，而需要液压压力才能使制动器松开风力。发电机的所有部件都需要连续运行二十至二十五年，因此有效的冷却系统直观重要。其中，变速箱和发电机是机舱内主要的产热部件。 变速箱的冷却通常在机舱顶部或后部安装一个油空热交换器及散热器。风扇将机舱内的空气吸入，使其穿过散热器后排出机舱外部。这种设计能带走变速箱油中的热量，同时防止热空气重新进入机舱。 发电机的冷却采用空空热交换器，该系统包含两个独立的密封空气回路内部冷却一台鼓风机，使空气在封闭回路中循环穿过发电机内部。 这些空气会吸收发电机绕组和部件产生的热量，然后流经热交换器的一侧进行冷却。冷却后的空气再重新流入发电机循环外部回路冷却另一组鼓风机持续将机舱内的空气吸入，使其穿过热交换器的另一侧，然后排出机舱外部。 这种设计能将热量传递到系统外部，同时避免灰尘、湿气、盐分等外部污染进入发电机内部。这种封闭回路设计在高效散热的同时能保护发电机免受环境污染的影响。 风向是持续变化的，因此机舱顶部安装了一个风向标，或称为风速风向仪，用于实时监测风向。 偏航系统会带动机舱旋转，使其始终正对接风方向，以最大限度的捕获风能。在塔顶和机舱底部之间装有一个大直径的偏航轴承，偏航轴承的内环通过螺栓固定在机舱底部，外环通过螺栓固定在塔架上，且外环带有外齿圈。 偏航系统由多台偏航电机通常为四台驱动，这些电机与变桨电机类似，但需要更大的减速比才能产生足够大的扭矩，以克服风力，带动机舱旋转。在本型号发电机中，每台偏航电机都配备了一套多级行星齿轮系统， 三级行星齿轮的减速比分别为五、六和六，总减速比为一百八十。最后一个正齿轮与偏航齿圈裂合，额外提供十五倍的减速比，因此整个偏航系统的总减速比约为两千七百。有时，由于风向不断变化，机舱需要连续旋转才能保持正对风的方向。 当机舱旋转两圈后，从机舱连接到塔底的电线可能会缠绕在一起，出现这种情况时，整个发电机会停机。偏航系统会带动机舱旋转回到始位置，以解除电线缠绕。 偏航制动系统用于防止机舱发生不必要的旋转，其默认状态为制动状态，由弹簧提供制动力，多组制动前通过螺栓固定在机舱上，制动片压在塔架的法兰上。 系统配备了一个独立的液压动力单元，用于提供加压流体。在偏航调整过程中，液压系统会向制动前施加压力，压缩弹簧使制动器松开。当偏航调整完成后，液压压力释放弹簧自动复位，重新施加制动力，将机舱锁定在当前位置。 卡架的设计需支撑机舱和转子的巨大重量，同时承受强大的风力载荷、弯举和震动。 与叶片类似，塔架也采用变径设计。由于弯矩从顶部到底部逐渐增大，因此塔架底部的直径最大，向上逐渐减小。塔架是一种空心管状钢结构，由多个断体组成。对于九十米高的塔架，通常分为三至四段，各段体之间通过大型法兰连接，用螺栓固定。 两兆瓦风力发电机的塔架重量通常在一百九十至二百五十五吨之间，具体取决于塔架高度和设计。 塔架内部设有爬梯和维修电梯，供技术人员进入机舱。各断体连接位置设有平台即可供人员安全休息，也便于检查法兰螺栓。 为防止腐蚀，钢结构表面涂有多层高耐久性油漆，能抵抗腐蚀、雨水、紫外线辐射和环境磨损，确保塔架具有二十至二十五年的使用寿命。 从机舱延伸出的电力电缆、控制电缆和数据电缆通过塔架内部的空心通道铺设至塔架底部。 卡架底部设有一个主控制单元，通常安装在地面上的独立箱体或控制室中。该控制单元负责监测和控制整个风力发电机的运行，包括变桨控制、偏航控制、制动系统和电网连接等。 机舱内的发电机产生的电能电压为六百九十伏，该电压过低无法实现高效的远距离输电，因此在塔架底部安装了一台升压变压器，将六百九十伏电压升至三十三千伏。变压器通常采用做装饰设计，安装在塔架底部附近，以便于访问和维护。 为支撑，塔架需要建造一个巨大的基础结构。风力发电机基础的设计目的是固定发电机，并将所有载荷，包括塔架、机舱和转子的重量，以及风力压力和转子旋转产生的强大侧向力和倾覆力矩安全传递到地面，确保发电机的稳定性和长期结构完整性。 这种基础类型被称为重力式基础，是一种大型浅埋式钢筋混凝土结构，依靠自身巨大的塔架倾倒 一台两兆瓦风力发电机的典型重力式基础直径约为十五至二十米，深度约为二至三米。基础内部设有一个精密设计的钢毛龙，这是一个在浇铸混凝土前设置在基础中心的复杂钢筋组建，其中包含用于将基础与塔架底部连接的大型地角螺栓。 由于风力发电机高度高且暴露在空旷环境中，尤其是在雷电活动频繁的地区，其遭受雷击的风险很高。 一次雷击就可能对叶片、电子设备和其他部件造成灾难性损坏。因此，发电机采取了以下防雷措施。每个叶片的尖端都安装了独立的接闪器，这些接闪器的设计目的是为雷击提供一个优先附着点。接闪器连接到引下线，即嵌入每个叶片内部的粗电缆， 这些电缆穿过叶片内部轮毂、主轴和塔架，最终连接到接地系统。机舱顶部还安装了一个额外的避雷装置，用于保护机舱内的部件和设备。所有引下线都连接到塔架底部的综合接地系统。 风力发电机的接地系统是一个关键的安全网络，只在为雷击或电气故障产生的危险电流提供一条安全路径，使其流入大地。 两兆瓦风力发电机的接地电极直接集成在混凝土基础中，这种系统被称为基础接地电极， 其主要接地电极为嵌入混凝土基础中的相互连接的钢筋网络，通过专用家具和焊接整个钢筋笼形成一个巨大的导电体，其巨大的总表面积以及与混凝土和周围土壤的紧密接触，使其成为消散电能的高效电极。 混凝土基础中的钢筋还连接到一个环形电极，这是一根安装在基础周边的连续铜或铜包钢导体，通常埋在地下零点五至一米处。 环形电极还连接有多根垂直接地棒，这些接地棒通常长二至四米，深深打入地下，以接触导电性更好的下层土壤，从而提高接地系统的有效性。 这套综合接地系统能确保雷击和电气故障产生的电流安全消散到大地，保护人员、设备和结构的安全。 这些了不起的设备凝聚了数十年的工程创新成果，能为数千户家庭提供可持续电力，同时在恶劣的环境条件下可靠运行二十至二十五年。以上就是关于风力发电机结构与原理的详细解释，感谢大家的观看，下个视频，我们再见！