摘要：背景引入现今，我们的社会飞速发展，在发展的过程中，所受到的最大的限制因素之一就在于能量上。最原始的能量获取方式，即通过对煤进行直接燃烧等方式获取热量的方式由于效率过低已经基本被淘汰，现在主要的能源获取方式，是通过对化学燃料（石油，燃煤）进行加工后转换为所需的电力等二级能源，之后再对二级能源进行利用。这种做法确实有其自己的优势，但是化学燃料的不可再生性势必会使这种方式的代价越来越高，甚至各个国家由于对资源的争夺，有很多都是因为抢夺资源而起；同时，由于对化工燃料的依赖，大型城市的空气污染也越来越严重。在这样的时代背景下，所有人都在渴求一种清洁的，可持续利用的能源。现今满足条件的方式主要是通过太阳能发电与风力发电。在此，我们来对风力发电的相关内容做一个简单的探究。
关键词：风力发电；发电机；
图1.1 火力发电及其污染 图1.2 风力发电
1.查阅资料
要得到风力发电的相关信息，首先我们要对风力发电的原理进行了解。我们知道，风
发电的本质是一个摇动式的发电机，应用的原理是电磁感应，进一步搜索资料后，我们知道了风力发电的大抵原理与结构。
图2.1风力发电的流程图
对于风力发电的原理与结构，网络上是如此说的：
工作原理
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国近几年风电产业突飞猛进。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连，将转矩传递到发电机的传动轴，此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。
发电机结构
风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。
机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。
转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。
轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。
发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。
电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。
冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。
塔：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。
风速计及风向标：用于测量风速及风向。
来源：百度百科
通俗而言，就是使用风叶被风吹动，之后通过一个变速装置来加快转速，之后连接上机械发电机，再之后通过整流等步骤转换成较为稳定的电流，之后再进行输出。
根据以上我们所知的材料，虽然我们不可能依据这些条件完全弄懂其工作原理或制造出一个风力发电机，但我们可以通过对每一步进行试验设计和理论推理来尝试得到一些提高风力发电机效率的方法。
1.任务划分
为了在现有条件下探索加强风力发电机的效率的方案，我们将步骤划开，对每个步骤都进行分析。我们将任务划分为扇叶方面，变速器效率与整流方案三个方面进行分析。
对于扇叶，我们通过查阅资料，发现基本上所有的风力发电机都是由三片窄叶组成。推测这种结构的利用效率是最高的。后续工作可以对此进行理论推导或实验设计。
关于变速器，我们查阅的资料显示，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，故也将齿轮箱称之为增速箱。我们对于这个方面，研究主要在于了解其结构与原理，如果条件允许，可以尝试搭建简单的模型。
关于整流，我们主要要面对的问题在于风速是飘忽不定的，因此切割磁感线产生的电压也是不稳定的。若想要导入电网，我们必须要有一种方法将并不稳定的电流转换为相对稳定的电流。在这个方面的主要思路，在于依据相关资料，设计出一个较为简单的稳流电路，如果有条件的话搭建一个实际电路验证其效果。
在对任务进行分析后，我们结合自己的及时情况，决定目前对第一项任务，及在扇叶方面进行进一步的研究与分析。
2.探究设计
我们知道，现今的风力发电机主要都是三扇叶结构，那么，这种结构确实是最优方案吗？
经过查询与讨论，我们认为影响因素主要在于成本，效率，稳定度，使用寿命与对周边环境的影响。
叶片是使用机械程度较高的轻质材料制成的，造价不菲，数量如果过多，则会使成本过大，此外，叶片过多会使悬臂笨重，摩擦力更大，效率也更低，叶片间的互相遮挡也会导致风能没有被完全利用。
如果叶片过少，则会使转速过快，离心力过大而稳定性不佳，容易出现事故，也会使风能未完全利用造成浪费。此外，叶片过少会使噪声过大，会影响到周边正常居民的正常生活。
4.1较为早期的风力发电机，可以看到风叶各式各样
4.2 近代与现在使用的风力发电机，可以看到设计已经相对统一并且现今已经是三片的设计
要对前面的分析进行验证是非常困难的，这时不妨进行一下“逆向思考”——既然我们无法直接对风力发电机进行验证，我们不妨控制拥有不同扇叶数量的风扇在同一功率下进行转动一段时间输出的风力强弱与装置的稳定程度。通过这样就大致的得出结论。
需要注意的是，自然界中风力是飘忽不定而且连续改变的，因此，我们需要使电机的功率也“飘忽不定”。
至于一段时间风力的强度，由于我们只需要做定性分析而不必定量运算，我们可以使用转化法，使用相同的纸屑，轻质小车等，观察它们在一段相同时间内被风吹动的距离在比较风力强弱。
而我们所需要的“风扇”，我们可以用乐高EV3机器人，通过编入对应的程序，拼接出相应的机械结构达成目标。
5.实验准备
在实验开始前，我们现需要从各方面进行准备。
（1）基础设计的准备
乐高中的电机功率较低，所以我们需要有一个带有变速装置的电机。
由于扇叶高度的限制，我们需要一个用来放置电机的“架子”
在此次的实验中，因为我们需要测试不同叶片的发电效率，所以我们使用不同数量的相同“叶片”搭建了三种“扇叶”
此外，我们需要准备用来测试风能的轻质物块。这里使用了一小块圆柱形的海绵块，为了保持其形态以及增加负重，其中扎入了两根钢钉。
图5.1 上文提到的各项准备物品，其中图2的电机仅仅是用于装饰与固定
（2）模拟程序的搭建
为了模拟自然环境，我们所编的程序需要满足让电机的功率按一定的速度渐渐改变。并且需要改变多次。为了方便，我们对每一个过程编写一个统一的模块。
由于乐高的编程是图形编程，所以对于涉及到数据的编程会比较麻烦。
单独模块程序如下页图5.1所示。
变量解释：
dt：时间精度，数值越大，越接近于连续改变。
Time：顾名思义，这个是指这个过程所经历的时间。
min：初功率 max：末功率 注：min与max并不一定是最大值和最小值，只是代表先后
dv：自动计算出的每个“瞬间”的速度变化量，这个值并不能被编辑
Speed：临时的速度，在整个过程中，它将从最小值变到最大值，这个值不能被编辑。
图5.2 对于单个过程的程序设计 虽然看起来复杂但是算法很简单
对算法的解释：大概的算法类似于微积分的电脑计算，用时间除以分度，每次增加一个小速度，造成时间渐渐增加的结果。
E.g.：我们把初始速度设置为30 末速度设置为50 时间设置为5s 时间精度为100。之后他自动计算是dv=（50-30）/（100*5）=0.04 即每次速度改变0.04 而时间微分的长度为1/100=0.01s所以执行时，第一次电机会以30的功率转动0.01s，在进行循环，以30.04的功率0.05s，30.08的功率0.01s……循环往复，最后以50的功率转动0.01s，一共加起来5s，就类似于均匀的在5s内功率由30变到50。
而后，我们利用EV3编程软件的我的模块创建器，将以上程序打包为一个简单的模块。
图5.4：程序本体 每个参数的意义上方都有解释
而后，对整个过程进行编辑。制作出一个以“飘忽不定”的功率旋转的“风扇”的程序。
1.进行实验
图6.1 完成准备之后的“风扇”
准备工作已经完成，接下来就应该开始进行实验了。
（1）向主机内导入程序，拼接风扇电机与基座，连接电机与主机。
（2）将两叶片的扇叶装载到风扇上，搭建实验场地。
（3）将物块放到场地平板上的某一位置，代其固定后开启程序。
（4）观察物块在“风扇”执行对应程序后所落点的位置，重复几次实验，取落点最远的一次，记录相应的情况。
（5）分别更换三叶，四叶的扇叶，重复（3）、（4）的实验，做出记录。
（6）对实验结果进行处理，分析。
以下图片是实验的过程
图6.10 两叶片的实验记录 红框是物块最终位置
三叶片：物体可以被吹动，且成功率较高。“扇叶”转速适中，有一定声音，有轻微振动。
图6.13 经过叠加的三张照片，可以很清晰的比较出结果
2.结果分析
根据处理过的照片图6.13，我们可以看出，经过多次试验之后，三片扇叶时在输入相同的功率的前提下转化的风能最多，此外，两片扇叶时由于转速较快，危险程度会更高。
反向转换后，我们可以得出如下结论：
在风力发电系统中，在相同的风速条件下，三扇叶的风力发电机能转化出更多的机械能，从而转换为更多的电能。同时，也具有噪声较低，较为稳定的优点。
综上所述，我们确实的验证了三扇叶能够提高风力发电的效率。
3.结束后的总结与反省
本次实验主要使用了转换的方法，将难以验证的“发电效率”转换为了“风力效率”。从而使得通过实验变为了可能。同时，通过自主设计算法，自由拼接使得验证更趋于真实与有说服力。这里也依托于乐高的EV3机器人，极大程度的简化了实验。
在寻找风能的参照物时，我们尝试过很多东西，例如小车，碎纸屑，但结果都不尽如人意，最终我们找到了泡沫物块，才得到了差强人意的实验结果。（注：差强人意，差不多令人满意）
但是由于泡沫物块的重心不稳，而且最大静摩擦远远大于滑动摩擦，会导致实验过程中要么物块被吹出很远，要么完全无法被吹动。而且物块的初始状态也会影响到结果，所以需要多做数次试验才能得出结果。上方所示的结果均是在重复多次试验后距离最远的结果。
这次实验也具有很多不严谨之处，反推的思路虽然从常识与自我意识上可以得出，但是是否真实可行我们并不能做出严谨的推理。此外，由于条件限制，我们并不能使不同扇叶的风扇有完全相同的设计，这个缺陷可能会极大程度的影响到最终结果。
综上所述，本次实验虽然达成了预期的目标，但具有很大的偶然因素，在这个方面，仍有很大的不足。但是无论如何，我们对于某个感兴趣的课题，感兴趣的内容，要敢于探索，如果自身条件不足，可以尝试改变思路，将不可能验证的命题通过推理转化为可能达成的实验。
在实验过程中，很有可能会发现各种预期之外的事情（就像本次实验中本来准备用小车做为物块，结果发现小车无法被吹动），对此，我们应当及时调整思路，改变方案。在实验结束后，我们应当对本次实验的结论做出分析并且分析不足之处。
参考文献：
[1]叶飞.基于成本分析的小型风力发电机组供能系统的优化改进[D].山东大学，2015.
[2]黄晓波.风力发电系统变流器的效率分析[D].浙江大学，2014.
[3]程兆亮.小型风光互补系统发电效率提升技术研究[D].山东大学，2013.
论文作者:张滨朔
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/11/16
标签：齿轮箱论文; 叶片论文; 风力发电机论文; 风力发电论文; 发电机论文; 转子论文; 功率论文; 《基层建设》2018年第26期论文;