风力涡轮机

风力涡轮机，也被称为风能转换器，是一种装置，转换风的动能变成电能。

风力涡轮机在广泛的垂直和水平轴范围内制造。最小的涡轮机用于诸如为船或大篷车提供辅助动力的电池充电或为交通警告标志供电的应用。较大的涡轮机可用于为家庭供电做出贡献，同时将未使用的电能通过电网卖回公用事业供应商。大型涡轮机阵列，被称为风电场，正日益成为间歇性可再生能源的重要来源， 许多国家已将其用作减少对化石燃料依赖的战略的一部分。一项评估声称，截至2009年与光伏、水力、地热、煤炭和天然气相比，风具有“最低的相对温室气体排放量，最少的用水需求和……最有利的社会影响”。

质量守恒要求进出涡轮的空气量必须相等。因此，贝兹定律给出了风力涡轮机xxx可实现的风能提取，为空气动能到达涡轮机的速率的16/27（59.3％）。

风对转子的效率（包括转子叶片的摩擦和阻力）是影响风力发电最终价格的因素之一。诸如齿轮箱损失，发电机和变矩器损失之类的进一步低效率降低了风力涡轮机传递的功率。为了保护组件免受过度磨损，当理论功率以风速的立方增加时，提取的功率会在额定运行速度以上保持恒定。这进一步降低了理论效率。2001年，与商业公用事业连接的涡轮机以额定运行速度提供了从风中提取的贝兹功率极限的75％至80％。

效率可以随时间稍微下降，主要原因在其上改变了的空气动力学轮廓，并且基本上减少了叶片是灰尘和昆虫的尸体一个升阻比的的翼型。对丹麦10年以上的3128台风力涡轮机进行的分析显示，一半的涡轮机没有下降，而另一半的年产量下降了1.2％。还发现在涡轮机叶片上积冰会xxx降低风力涡轮机的效率，这在发生云中结冰和冻雨事件的寒冷气候中是一个普遍的挑战。垂直涡轮设计的效率比标准水平设计低得多。

通常，在不稳定天气条件下，更稳定的天气条件（最显着的是风速）比风力涡轮机的效率平均提高15％，因此在稳定条件下风速最多可提高7％。这是由于在较高的大气稳定性条件下出现了更快的恢复唤醒和更大的气流夹带。然而，已经发现，在不稳定的大气条件下而不是在稳定的环境下，风力涡轮机尾流的恢复更快。

已经发现不同的材料对风力涡轮机的效率具有不同的影响。在Ege大学的一项实验中，使用由不同材料制成的叶片构造了三个风力涡轮机（每个叶片带有三个直径为一米的叶片）：玻璃和玻璃/环氧玻璃、玻璃/碳和玻璃/聚酯。经测试，结果表明整体质量较高的材料的摩擦力矩较大，因此功率系数较低。

风力涡轮机的设计在成本，能量输出和疲劳寿命之间进行了仔细的权衡。

风力涡轮机将风能转换为电能以进行分配。常规的水平轴涡轮机可以分为三个部分：

• 转子约占风力涡轮机成本的20％，转子包括将风能转换为低速旋转能的叶片。
• 发电机大约占风力发电机成本的34％，其中包括发电机、控制电子设备，最有可能的是变速箱（例如行星齿轮箱），变速驱动器，或无级变速器组件，用于将低速输入旋转转换为适合发电的高速旋转。
• 周围的结构（约占风力涡轮机成本的15％）包括塔架和转子偏航机构。

1.5 兆瓦的风力涡轮机在美国很常见，其塔高为80米（260英尺）。转子组件（叶片和轮毂）重22,000千克（48,000磅）。装有发电机的机舱重52,000千克（115,000磅）。塔的混凝土底座使用26,000千克（58,000磅）的钢筋建造，并包含190立方米（250立方码）的混凝土。底座的直径为15米（50英尺），中心附近的厚度为2.4米（8英尺）。

由于数据传输问题，通常使用多个加速度计和连接到机舱的应变计对风机进行结构健康监测，以监测齿轮箱和设备。当前，数字图像相关和立体摄影测量法被用于测量风力涡轮机叶片的动力学。这些方法通常测量位移和应变以识别缺陷的位置。非旋转风力涡轮机的动态特性已使用数字图像相关性和摄影测量技术进行了测量。三维点跟踪也已用于测量风力涡轮机的旋转动力学。

风力涡轮机转子叶片被制成更长以提高效率。这就要求它们坚硬、结实、轻便并且抗疲劳。具有这些特性的材料是复合材料，例如聚酯和环氧树脂，而玻璃纤维和碳纤维已用于增强。施工可以使用手动铺网或注模。

公司寻求方法来提高设计效率。主要的方法是增加叶片长度，从而增加转子直径。用更大的叶片改造现有的涡轮机可减少工作量和重新设计系统的风险。当前最长的叶片为88.4 m（来自LM Wind Power），但是到2021年，预计海上风力涡轮机的叶片为100 m时将达到10 MW。较长的刀片需要更坚硬以避免偏转，偏转需要材料具有更高的刚度重量比。由于叶片需要在20到25年的时间内承受一亿个负载循环，因此叶片材料的疲劳度也很关键。

一些地方通过将风力涡轮机公开展示来利用风力涡轮机的引人注目的性质，无论是访客中心周围的访客中心还是更远的观看区域。风力涡轮机通常采用传统的水平轴、三叶设计，并产生电力来为电网供电，但它们还充当了技术示范，公共关系和教育的非常规角色。

小型风力涡轮机可用于多种应用，包括并网或离网住宅、电信塔、海上平台、农村学校和诊所、远程监控以及在没有电网或没有电网的情况下需要能源的其他用途不稳定。小型风力涡轮机可能小到五十瓦特的发电机，以供船用或大篷车使用。太阳能和风能混合动力装置越来越多地用于交通标志，特别是在农村地区，因为它们避免了从最近的电源连接点铺设长电缆的需要。在能源部国家可再生能源实验室的美国能源部（NREL）定义的小型风力发电机那些小于或等于100千瓦。小型机组通常具有直接驱动发电机，直流输出，气动弹性叶片，使用寿命轴承，并使用叶片指向风。

更大，更昂贵的涡轮机通常具有齿轮传动系，交流电输出和风门，并且主动指向风中。大型风力涡轮机的直接驱动发电机和气动弹性叶片正在研究中。

在大多数水平风力涡轮机场中，通常要保持转子直径约6至10倍的间距。但是，考虑到典型的风力涡轮机和土地成本，对于大型风电场，约15个转子直径的距离应该更经济。约翰·霍普金斯大学的Charles Meneveau 和比利时鲁汶大学的Johan Meyers基于计算机模拟进行了研究，得出了这一结论，该模拟考虑了风力涡轮机之间的详细相互作用。以及整个湍流大气边界层。

加州理工学院的约翰·达比里（John Dabiri）最近进行的研究表明，垂直风轮机可以放置得更紧密，只要产生交替的旋转模式，相邻风轮机的叶片就可以在彼此接近的方向上移动。

风力涡轮机的发电成本为每千瓦时2至6美分，这是价格最低的可再生能源之一。随着风力涡轮机所需技术的不断改进，价格也随之下降。另外，由于没有任何可利用的自然资源，风能目前没有竞争性市场。小型风力发电机的主要成本是购买和安装过程，平均每次安装费用在48,000美元至65,000美元之间。从涡轮机收集的能量将抵消安装成本，并提供数年的免费能源。

风力涡轮机提供清洁的能源，几乎不用水，不排放温室气体，也不排放废物。通过使用一兆瓦的涡轮机代替化石燃料产生的一兆瓦的能源，每年可以消除超过1,500吨的二氧化碳。

风力涡轮机可能非常大，高达140 m（460英尺）高，叶片长55 m（180英尺），人们经常抱怨其视觉冲击。

风能对环境的影响包括对野生动植物的影响，但如果实施适当的监测和缓解策略，则可以减轻影响。成千上万的鸟类（包括稀有物种）已被风力涡轮机的叶片杀死，尽管风力涡轮机对人为禽类死亡的影响相对较小。风电场和核电站每千兆瓦时（GWh）的电力造成0.3到0.4只禽鸟死亡，而化石燃料发电站每GWh造成约5.2人死亡。2009年，在美国，被风力涡轮机杀死的每只鸟中，有近500,000只被猫杀死，另有50万只被建筑物杀死。相比之下，传统的燃煤发电机通过被卷入烟囱上升的焚化以及因排放副产物（包括烟道气中的颗粒物和重金属）中毒而对禽类死亡的贡献更大。此外，海洋生物还受到用于核能和化石燃料发电机的汽轮机冷却塔（热交换器）的进水口，海洋生态系统中煤尘的沉积（例如，破坏澳大利亚的大堡礁）以及燃烧一氧化碳对水的酸化影响。

风力涡轮机利用的能量是间歇性的，不是“可分派”的动力来源。它的可用性基于风是否在吹，而不是是否需要电力。涡轮机可以放置在山脊或悬崖上，以xxx程度地获得风，但是这也限制了涡轮的放置位置。这样，风能并不是特别可靠的能源。但是，它可能构成能源混合的一部分，其中也包括来自其他来源的电力。值得注意的是，风能和太阳能的相对可用输出通常成反比（平衡）。还开发了存储多余能量的技术，这些能量可以弥补供应的任何短缺。