最近有部電影，深刻的詮釋了知識改變命運，講述的是受一本科學書籍的啟發，十三歲的威廉·坎克旺巴（William Kamkwamba）建造了一臺風力渦輪機，以保護他的村莊免於饑荒的故事

本片的劇情和過多的細節我們不多做討論，今天我們來看看推動故事發展的另外一個主角——風力渦輪機

片中男主角製造的風力渦輪機*圖片來源於網絡

風力渦輪機的發展

風力渦輪機是一種將風的動能轉換成機械能，然後用來做功或發電的機器，數千年來，風的利用一直是集中在抽水或碾磨穀物上，即使到了二十世紀，美國家庭和一些牧場都仍在使用風力渦輪機將水泵入房屋的管道系統或牛的飲水槽中

利用風車將水引給牛喝*WORTHOPEDIA®

已知的第一個用於發電的風力渦輪機是在蘇格蘭被設計安裝的，由格拉斯哥安德森學院（現稱思克萊德大學（University of Strathclyde））的詹姆斯·布萊思教授（Prof James Blyth）發明，他將這個機器安裝在自己度假所住的小屋花園中以給房子提供照明

第一次世界大戰後，可用於發電的風力渦輪機的研發工作開始在全世界變得活躍，1927年，Joe Jacobs和Marcellus Jacobs在明尼蘇達州的明尼阿波利斯開設了一家名為“Jacobs Wind”的工廠生產適用於農場的風力渦輪機，因為農場通常無法接入電網，而風力渦輪機則可用於為電池充電和為燈供電

Jacobs Wind製造的風力渦輪機使用說明書

但後來，當電力需求增加時，雅各布斯小而不足的風力渦輪機就顯得有點“難堪大用”，之後很快就被淘汰

1931年，法國航空工程師Georges Jean Marie Darrieus為自己發明的Darrieus wind turbine（也就是達裡厄風力機）垂直軸風力渦輪機申請專利成功

達裡厄風力機示意圖

關於達裡厄風力機的紀念郵票

這種類型的風力渦輪機因為其合理的設計今天仍然在使用，但對於更多的較冷門應用，如船上，垂直軸就不像水平軸風力渦輪機那樣應用得廣泛了

到2008年，全球風電裝機容量達到120291兆瓦，而中國則在2010年超過美國成為世界上累計風電裝機容量最多的國家，之後美國與中國交替上升，分別於2012、2013年成為全球最大風電市場

風力渦輪機的結構及工作原理

鋼製塔架風力渦輪機由三個基本部件組成：塔架、機艙和轉子葉片，該塔是類似於電力塔的鋼格結構塔，或者是內部有梯子通向機艙的鋼管塔

大多數塔架由鋼材製成的，鋼表面塗有鋅合金以起到保護作用，但也有一些是用油漆來代替的，典型的美國製造風力渦輪機的塔高約80英尺，重約19，000磅

機艙是一個堅固的中空外殼，通常由玻璃纖維製成，內部包含風力渦輪機的內部元件，如主傳動軸和變速箱，還包含葉片俯仰控制，控制葉片角度的液壓系統，以及控制渦輪機相對於風的位置的偏航驅動裝置，另外還有發電機和電子控制器

材料使用最多樣化的是葉片，同時也是材料創新的前沿陣地，雖然商用風力渦輪機葉片最主要的材料是具有空心芯的玻璃纖維，但其他包括輕質木材和鋁也同樣在使用

木製葉片是實心的，但大多數葉片要麼是中空的，要麼是填充有輕質物質(如塑料泡沫或蜂窩狀的輕質木材)，一個典型的玻璃纖維葉片大約有15米長，重約2，500磅

風力渦輪機還包括一個公用電箱，位於塔底，電纜將公用電箱連接到機艙，而其他電纜將整個渦輪機連接到附近的渦輪機和變壓器

我們知道，風力渦輪機工作的時候的是將風能轉化為電能，現代風力渦輪機採用空氣動力學原理，當風吹到葉片時，由於葉片從底部到尖端有許多不同的橫截面

葉片的橫截面不同

流體在葉片上移動時產生上升力，這樣風力渦輪機就實現了我們常看見的旋轉

葉片實現旋轉

對於移動的葉片，相對的風速如圖所示，因此風力渦輪機葉片以傾斜的方式定位以便於與相對風速對準

當葉片風速增加到尖端時，相對風速朝向尖端變得更加傾斜，這邊是葉片從尖端到根部都是連續的扭轉

然而這種連續的扭轉不能直接連接到發電機，因為由於噪音和葉片強度的問題，風力渦輪機的葉片常常是以非常低的轉速旋轉，這樣就不能在發電機中產生有意義的電力頻率，齒輪箱就很好的解決了這個問題

齒輪箱採用行星組裝裝置來實現高速轉比（約為1：90） ，機箱中的制動器可以很好的阻止在風過大的時候葉片的轉動，產生的電力將通過電纜輸往基座的升壓變壓器

齒輪箱實現高轉速比

另外，因為風向變化很頻繁，在機箱頂部的速度傳感器會測量風速和風向，之後電子控制器向偏航裝置發送信號以校正葉片的方向，這樣風力渦輪機將始終與風向對齊

風向變化

調整整個風力渦輪機總是與風對齊

同時風速的不同，風的相對速度角也會發生變化，葉片傾斜機構這個時候就會調整葉片使其與相對速度對準，因此葉片也總是處於與相對風流向最佳角度，這些調整都是為了讓風力渦輪機能夠達到對最佳的發電功率（動圖截取自Learn Engineering視頻《How do Wind Turbines work ?》）

葉片方向的調整

風力渦輪機的設計製造

在考慮建造單個風力渦輪機之前，製造商必須確定合適的風電場選址區域，而且風速必須定期超過每小時每小時25公里，而風力發電場最適合在山巒環繞的稍起伏的開闊地帶

這些地區是首選，因為風力渦輪機可以放置在山脊上，不受樹木和建築物的阻礙，山脈集中了氣流，形成了一個風力更強、速度更快的自然風洞，風力發電場也必須設在公用線路附近，以便將電力輸送到當地發電廠

在每個安裝風力渦輪機的位置對土地進行分級，並平整墊塊區域，然後將混凝土基礎放在地下，接著安裝地下電纜

這些電纜將風力渦輪機串聯起來，並將所有風力渦輪機連接到遠程控制中心，在那裡對風電場進行監控，並將電力輸送到電力公司

雖然塔架的鋼製部件是在工廠製造的，但它們通常是在現場組裝的，各部分用螺栓連接在一起，在放置之前，塔架保持水平，一臺起重機將塔吊入位，所有螺栓均已擰緊，並在完工後測試穩定性

加工*CNBM官網

玻璃纖維機艙在工廠製造並安裝，它的內部工作部件--主傳動軸、變速箱、以及葉片間距和偏航裝置被一一組裝起來，然後安裝在一個底座上，接著將機艙固定在設備周圍後被提升到完成的塔上並用螺栓固定到位

鋁製葉片是通過將鋁板螺栓固定在一起而形成的，而木葉片是雕刻而成的，在截面上類似於飛機機翼的空氣動力螺旋槳

然而，到目前為止，葉片使用最多的材料仍然是由玻璃纖維，玻璃纖維的製造是一項艱苦的工作，首先玻璃纖維-樹脂複合材料混合物注入模具，然後關閉模具，接著玻璃纖維混合物乾燥幾個小時

乾燥後，模具中充滿空氣的氣囊有助於葉片保持其形狀，玻璃纖維乾燥後，打開模具並取出氣囊，葉片的最終準備包括清潔、打磨、密封和刷漆

葉片通常在機艙被放置到塔上後用螺栓固定在機艙上，由於組裝在地面上更容易完成，有時三叉葉片在吊升前有兩個葉片用螺栓固定在機艙上，第三個葉片在機艙就位後用螺栓固定，

每個風力渦輪機的公用電箱和風電場的電氣通信系統與風艙和葉片的放置同時安裝，電纜從機艙到公用電箱，從公用電箱到遠程控制中心

加工*CNBM官網

風力渦輪機會安排定期維護計劃，以最大限度地減少故障，一般每三個月進行一次檢查，每六個月安排一次全面維護檢查，這通常包括潤滑運動部件和檢查變速箱中的油位，工作人員也可以在現場測試電氣系統，並對發電機或接頭的任何問題進行檢查