最近有部电影，深刻的诠释了知识改变命运，讲述的是受一本科学书籍的启发，十三岁的威廉·坎克旺巴（William Kamkwamba）建造了一台风力涡轮机，以保护他的村庄免于饥荒的故事
驭风少年*图片来源于网络
本片的剧情和过多的细节我们不多做讨论，今天我们来看看推动故事发展的另外一个主角——风力涡轮机
片中男主角制造的风力涡轮机*图片来源于网络
风力涡轮机的发展风力涡轮机是一种将风的动能转换成机械能，然后用来做功或发电的机器，数千年来，风的利用一直是集中在抽水或碾磨谷物上，即使到了二十世纪，美国家庭和一些牧场都仍在使用风力涡轮机将水泵入房屋的管道系统或牛的饮水槽中
利用风车将水引给牛喝*WORTHOPEDIA®
*图片来源于网络
已知的第一个用于发电的风力涡轮机是在苏格兰被设计安装的，由格拉斯哥安德森学院（现称思克莱德大学（University of Strathclyde））的詹姆斯·布莱思教授（Prof James Blyth）发明，他将这个机器安装在自己度假所住的小屋花园中以给房子提供照明
第一次世界大战后，可用于发电的风力涡轮机的研发工作开始在全世界变得活跃，1927年，Joe Jacobs和Marcellus Jacobs在明尼苏达州的明尼阿波利斯开设了一家名为“Jacobs Wind”的工厂生产适用于农场的风力涡轮机，因为农场通常无法接入电网，而风力涡轮机则可用于为电池充电和为灯供电
Jacobs Wind制造的风力涡轮机使用说明书
但后来，当电力需求增加时，雅各布斯小而不足的风力涡轮机就显得有点“难堪大用”，之后很快就被淘汰
1931年，法国航空工程师Georges Jean Marie Darrieus为自己发明的Darrieus wind turbine（也就是达里厄风力机）垂直轴风力涡轮机申请专利成功
达里厄风力机示意图
关于达里厄风力机的纪念邮票
这种类型的风力涡轮机因为其合理的设计今天仍然在使用，但对于更多的较冷门应用，如船上，垂直轴就不像水平轴风力涡轮机那样应用得广泛了
到2008年，全球风电装机容量达到120291兆瓦，而中国则在2010年超过美国成为世界上累计风电装机容量最多的国家，之后美国与中国交替上升，分别于2012、2013年成为全球最大风电市场
钢制塔架风力涡轮机由三个基本部件组成：塔架、机舱和转子叶片，该塔是类似于电力塔的钢格结构塔，或者是内部有梯子通向机舱的钢管塔
大多数塔架由钢材制成的，钢表面涂有锌合金以起到保护作用，但也有一些是用油漆来代替的，典型的美国制造风力涡轮机的塔高约80英尺，重约19，000磅
机舱是一个坚固的中空外壳，通常由玻璃纤维制成，内部包含风力涡轮机的内部元件，如主传动轴和变速箱，还包含叶片俯仰控制，控制叶片角度的液压系统，以及控制涡轮机相对于风的位置的偏航驱动装置，另外还有发电机和电子控制器
材料使用最多样化的是叶片，同时也是材料创新的前沿阵地，虽然商用风力涡轮机叶片最主要的材料是具有空心芯的玻璃纤维，但其他包括轻质木材和铝也同样在使用
木制叶片是实心的，但大多数叶片要么是中空的，要么是填充有轻质物质(如塑料泡沫或蜂窝状的轻质木材)，一个典型的玻璃纤维叶片大约有15米长，重约2，500磅
风力涡轮机还包括一个公用电箱，位于塔底，电缆将公用电箱连接到机舱，而其他电缆将整个涡轮机连接到附近的涡轮机和变压器
我们知道，风力涡轮机工作的时候的是将风能转化为电能，现代风力涡轮机采用空气动力学原理，当风吹到叶片时，由于叶片从底部到尖端有许多不同的横截面
叶片的横截面不同
流体在叶片上移动时产生上升力，这样风力涡轮机就实现了我们常看见的旋转
叶片实现旋转
对于移动的叶片，相对的风速如图所示，因此风力涡轮机叶片以倾斜的方式定位以便于与相对风速对准
当叶片风速增加到尖端时，相对风速朝向尖端变得更加倾斜，这边是叶片从尖端到根部都是连续的扭转
然而这种连续的扭转不能直接连接到发电机，因为由于噪音和叶片强度的问题，风力涡轮机的叶片常常是以非常低的转速旋转，这样就不能在发电机中产生有意义的电力频率，齿轮箱就很好的解决了这个问题
齿轮箱采用行星组装装置来实现高速转比（约为1：90） ，机箱中的制动器可以很好的阻止在风过大的时候叶片的转动，产生的电力将通过电缆输往基座的升压变压器
齿轮箱实现高转速比
另外，因为风向变化很频繁，在机箱顶部的速度传感器会测量风速和风向，之后电子控制器向偏航装置发送信号以校正叶片的方向，这样风力涡轮机将始终与风向对齐
风向变化
调整整个风力涡轮机总是与风对齐
同时风速的不同，风的相对速度角也会发生变化，叶片倾斜机构这个时候就会调整叶片使其与相对速度对准，因此叶片也总是处于与相对风流向最佳角度，这些调整都是为了让风力涡轮机能够达到对最佳的发电功率（动图截取自Learn Engineering视频《How do Wind Turbines work ?》）
叶片方向的调整
风力涡轮机的设计制造在考虑建造单个风力涡轮机之前，制造商必须确定合适的风电场选址区域，而且风速必须定期超过每小时每小时25公里，而风力发电场最适合在山峦环绕的稍起伏的开阔地带
这些地区是首选，因为风力涡轮机可以放置在山脊上，不受树木和建筑物的阻碍，山脉集中了气流，形成了一个风力更强、速度更快的自然风洞，风力发电场也必须设在公用线路附近，以便将电力输送到当地发电厂
在每个安装风力涡轮机的位置对土地进行分级，并平整垫块区域，然后将混凝土基础放在地下，接着安装地下电缆
这些电缆将风力涡轮机串联起来，并将所有风力涡轮机连接到远程控制中心，在那里对风电场进行监控，并将电力输送到电力公司
虽然塔架的钢制部件是在工厂制造的，但它们通常是在现场组装的，各部分用螺栓连接在一起，在放置之前，塔架保持水平，一台起重机将塔吊入位，所有螺栓均已拧紧，并在完工后测试稳定性
加工*CNBM官网
玻璃纤维机舱在工厂制造并安装，它的内部工作部件--主传动轴、变速箱、以及叶片间距和偏航装置被一一组装起来，然后安装在一个底座上，接着将机舱固定在设备周围后被提升到完成的塔上并用螺栓固定到位
铝制叶片是通过将铝板螺栓固定在一起而形成的，而木叶片是雕刻而成的，在截面上类似于飞机机翼的空气动力螺旋桨
然而，到目前为止，叶片使用最多的材料仍然是由玻璃纤维，玻璃纤维的制造是一项艰苦的工作，首先玻璃纤维-树脂复合材料混合物注入模具，然后关闭模具，接着玻璃纤维混合物干燥几个小时
干燥后，模具中充满空气的气囊有助于叶片保持其形状，玻璃纤维干燥后，打开模具并取出气囊，叶片的最终准备包括清洁、打磨、密封和刷漆
叶片通常在机舱被放置到塔上后用螺栓固定在机舱上，由于组装在地面上更容易完成，有时三叉叶片在吊升前有两个叶片用螺栓固定在机舱上，第三个叶片在机舱就位后用螺栓固定，
每个风力涡轮机的公用电箱和风电场的电气通信系统与风舱和叶片的放置同时安装，电缆从机舱到公用电箱，从公用电箱到远程控制中心
加工*CNBM官网
风力涡轮机会安排定期维护计划，以最大限度地减少故障，一般每三个月进行一次检查，每六个月安排一次全面维护检查，这通常包括润滑运动部件和检查变速箱中的油位，工作人员也可以在现场测试电气系统，并对发电机或接头的任何问题进行检查
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