- 瑞晨互联
- 2025-04-24
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风电知识全面剖析：原理、发展与运维
一、风电的工作原理
风力发电是把风能先转换为机械能，再把机械能转换为电能的可再生能源技术。其基本原理是利用风力驱动风力涡轮机（风机）旋转，通过与发电机的耦合，产生电能。
- 风能捕捉：风力涡轮机通常由多个叶片组成，这些叶片被设计成可以捕捉到风。当风经过风机时，叶片会受到风的作用力，开始旋转。一般风力发电机的风轮由 2 个或 3 个叶片构成。叶片在风的作用下，产生升力和阻力，正是这些力促使风轮转动。
- 动力转换：旋转的风机通过主轴与发电机耦合。当风机转动时，主轴也会旋转，通过这个旋转运动，转动能量会传递给连接的发电机。风轮作为集风装置，其作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。
- 发电机工作：发电机是将机械能转化为电能的设备。当主轴旋转时，它会带动发电机内部的转子旋转，转子中的导线与磁场相互作用，产生电流。
- 电能输出：通过电气系统，将发电机产生的交流电转换为符合使用要求的电能输出。这包括变压器将电流调整为合适的电压，以及电力网络将电能输送到消费者。
二、风力发电系统的基本结构
- 风轮：风力发电机的风轮主要轴心分为水平和垂直两大方向。水平轴的风力机旋转轴与气流的方向和地面呈平行状态，需要风轮时刻都保持着迎风状态。其优势是可以将风轮架在高地，从而减少了地面物体对风向的干扰。而垂直轴风力发电机的风轮旋转轴是垂直于地面和气流方向的，优势在于可以吸收任意方向的风能，而且即使风向改变，也不需要调整旋转轴心。如果风轮是在塔架前迎风旋转，即为上风向；若是风轮在塔架后迎风旋转，即为下风向。
- 传动系统：传动系统主要由主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器等组成。主轴也称为低速轴，安装在风轮和齿轮箱之间。前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速轴连接。主轴是连接风轮与齿轮箱或发电机的关键部件。齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称为增速箱。齿轮箱中齿轮的相互作用可以有效提升发电机的转速，同时保证电力供应的稳定性。
- 液压系统：液压系统是由液压元件和液压回路构成的。液压元件是由数个不同的零件构成，用以完成特定功能的组件，如液压缸、液压马达、液压泵、控制阀、油箱、过滤器、蓄能器、冷却器和管接头等。液压回路是完成某种特定功能，由元件构成的典型环节。液压系统元件包括动力元件、控制元件、执行元件以及辅助元件。动力元件将机械能转换为液体压力能，如液压泵；控制元件控制系统的压力、流量、方向以及进行信号转换和放大，作为控制元件的主要是各类液压阀；执行元件将流体的压力能转换为机械能，驱动各类机构，如液压缸；辅助元件为保证系统正常工作除上述 3 种元件外的装置，如油箱、过滤器、蓄能器、管件等。
- 刹车系统：刹车系统包括机械刹车和空气动力刹车，机械刹车是空气动力刹车的补充。气动刹车的可靠性直接关系到风力发电机组的安全，叶尖扰流器是定桨距机组气动刹车的主要实现机构。当需要脱网停机时，叶尖扰流器在离心力的作用下旋转形成阻尼板，使风力发电机组迅速减速，这一过程即为桨叶空气动力刹车。空气动力刹车是一种失效保护装置，使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。
- 塔架：在风力发电中起到支撑和连接的作用。塔架的支撑作用主要是将风力发电机组各部件连接在一起，形成一个整体框架结构，使机组能够稳定地运行。同时，塔架还能支撑风轮和机舱等部件，使它们能够顺利地转动和运转。
- 发电机：发电机是将风能转化为电能的核心设备。根据输出电流的形式分为直流发电机和交流发电机。交流发电机按转子转速与额定转速之间的关系分为异步交流发电机和同步交流发电机。异步交流发电机转子转速与额定转速之间存在转差率，而同步交流发电机转子转速与额定转速相同。根据转子电流获得方式或转子磁场产生方式分为感应式发电机、电励磁式发电机和永磁式发电机。
- 控制系统：控制系统的基本目标是保证风力发电机组安全可靠运行。控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通信接口电路、监控单元。控制系统的作用是对整个风力发电机组实施正常操作、调节与保护，包括启动控制、并脱网控制、偏航与解缆控制、限速及刹车控制。此外，控制系统还应具有以下功能：根据功率以及风速自动进行转速和功率控制；根据功率因数自动投入（或切出）相应的补偿电容；机组运行过程中，对电网、风况和机组运行状况进行检测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，而且还能根据记录的数据生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标；对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信功能。
- 偏航系统：偏航系统依据风电系统安装位置、风力变化情况，对风轮的扫掠面进行控制，保证扫掠面与风向始终保持垂直状态的方式。应用伺服控制技术调整桨距角改变风轮转速，从而实现风力发电系统停止工作时，切实降低风力发电系统停机的难度。
- 机舱：机舱包含着风力发电机的关键设备，如齿轮箱、发电机等。机舱由底盘和机舱罩组成，机舱内通常布置有偏航系统、传动系统、制动系统、发电机及控制系统等。机舱尾部安装有风速计和风向标。维护人员可以通过风力发电机组塔进入机舱。
三、风电的发展历程
- 第一阶段（1887 - 1987 年）：1887 年，詹姆斯・布莱斯发明了一套风力发电装置，这一年被认为是风力发电的元年。同年，美国的查尔斯・布鲁斯建造了世界上第一座大型风力发电机，该发电机直接驱动直流发电机。这个阶段的主要成就是证明风力可以大规模、经济地用来发电。其中，丹麦和美国的研究成果最多，风机容量也从几十瓦发展到百千瓦。丹麦物理学家 Poul.La Cour 通过风洞试验发现，叶片数少、转速高的风轮具有更高的效率，提出 “快速风轮” 的概念。20 世纪 20 年代随着飞机的出现和空气动力学的发展，人们从空气动力学的理论高度，开始了又一次风力发电高潮。1926 年，德国科学家 Albert Betz 对风轮空气动力学进行了深入研究提出了 “贝茨理论”，指出风能的最大利用率为 59.3%，为现代风电机组空气动力学设计奠定了基础。20 世纪 30 年代，许多国家都研制了风力发电站，代表机型有 1931 年前苏联在克里米亚半岛建造的 100kW 机组，以及 1939 年美国人普特南在得到麻省理工学院空气动力学教授冯・卡门帮助后建造的一台 1250kW 机组，这两个风力发电系统被公认为现代风力发电的最早代表。1940 年，丹麦工程师 Poul la Cour 创建了世界上第一个商业化的位于丹麦 Jutland 半岛的风力发电场。1945 年到 1973 年，风电技术发展缓慢，开发和维护成本较高，与传统的化石能源相比，风力发电的价格没有优势。1973 年，第一次石油危机刺激了对可再生能源的研究和发展，风力发电开始引起全球关注。20 世纪 80 年代，风力发电技术取得了重大突破，风力发电机的效率和容量都有了显著提升。
- 第二阶段（1987 - 1997 年）：这一时期，风电技术逐步成熟，风电产业成规模发展，并建立了稳定的商业模式。中国利用风力发电起步较晚，20 世纪 80 年代才迅速发展起来，发展初期研制的风机主要为小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组。
- 第三阶段（1997 年后）：1997 年以后，兆瓦级风机成为主流产品，海上风电逐步推广。随着单机容量提高，为应对极限荷载和疲劳荷载的挑战，新的直驱变速变桨和双馈变速变桨逐步成为兆瓦级风机的主流技术。从 20 世纪 90 年代开始，风力发电迅猛发展。中国大型风电机组的主要部件已由依赖进口到基本实现国产化。2000 年以后，全球风力发电迅速增长，成为最主要的可再生能源之一。技术进步、政策支持和成本下降推动了风力发电的快速发展。
四、风力发电的分类
- 根据风力机和发电机：风力发电机组由两部分组成，一为发电提供原动力的风力机，即风轮机，另一是将其转动机械能转化为电能的发电机。风力机一般分为常规型和新型两类，发电机可分为直流发电机和交流发电机两类。把风力机和发电机作为一个整体系统来考虑，可以把风力发电机组分为恒速恒频、近恒速恒频、变速变频和变速恒频 4 种系统。
- 根据装机位置：分为陆上和海上两类。陆上风电建设相对容易，技术较为成熟，但受地形、土地资源等限制；海上风电具有风速高、稳定性好、不占用陆地资源等优势，但建设和运维成本较高，技术难度也更大。
五、风力发电机的运维要点
- 日常检查
- 外观检查：定期检查风力发电机的外观，包括叶片是否有裂纹、磨损、变形，塔筒是否有锈蚀、损伤，机舱是否有异常振动或噪声等。若发现叶片有裂纹或磨损，可能会影响风机的气动性能，导致发电效率下降，甚至引发安全事故，需及时进行修复或更换。
- 连接部件检查：检查各连接部件的螺栓是否松动，如叶片与轮毂的连接螺栓、塔筒各段之间的连接螺栓等。螺栓松动可能会导致部件位移，影响风机的正常运行，应及时紧固。
- 传动系统维护
- 齿轮箱维护：齿轮箱是传动系统的关键部件，需要定期检查齿轮箱的油位、油温、油压，以及齿轮的磨损情况。定期更换齿轮箱润滑油，以保证齿轮的良好润滑，减少磨损。若发现齿轮有磨损或损坏，应及时修复或更换，否则可能导致齿轮箱故障，影响风机发电。
- 主轴和轴承维护：检查主轴是否有变形、裂纹，轴承是否有异常发热、噪声或振动。定期对轴承进行润滑，确保其正常运转。主轴和轴承的故障可能会导致风机停机，因此需要密切关注其运行状态。
- 电气系统维护
- 发电机维护：检查发电机的输出电压、电流是否正常，绕组是否有短路、断路现象，碳刷与滑环的接触是否良好。定期对发电机进行清洁，防止灰尘和杂物影响其性能。若发电机出现故障，将直接影响电能的产生和输出。
- 控制系统维护：确保控制系统的传感器、控制器等设备工作正常，通信线路畅通。定期对控制系统进行软件升级和参数优化，以适应不同的运行环境和需求。控制系统故障可能导致风机无法正常启停、调节和保护，因此维护工作至关重要。
- 应对不同天气情况
- 大风天气：在大风来临前，密切关注风速变化，当风速超过风机的设计极限时，及时启动刹车系统，使风机安全停机。大风过后，检查风机各部件是否有损坏，如叶片是否被强风折断，塔筒是否倾斜等。
- 雷雨天气：检查防雷装置是否完好，接地电阻是否符合要求。在雷雨天气，尽量避免对风机进行维护操作，防止雷击事故发生。若风机遭受雷击，应及时检查电气设备是否受损，修复受损部件后再恢复运行。
- 低温天气：在低温环境下，检查润滑油的流动性是否正常，必要时采用加热装置提高油温。同时，关注风机的防寒保暖措施，防止设备因低温而损坏。
