文 | 远山竹叶编辑 | 远山竹叶前言作为一种可再生能源技术，风能系统正逐渐成为全球能源转型的关键之一，其中的能量转换策略在风能系统的设计与优化中起着至关重要的作用，为了提高风能系统的效率和可靠性，就需要综合考虑电气、机械和材料方面的因素。
随着对于能源需求的提升，人们开始逐渐发现，聚合物基复合材料的回收，对风力发电厂及其供应链行业构成巨大威胁。
那么要想解决这一问题，通过电气、材料以及机械方面都需要哪些改进呢？风能系统能量的转换由于人口增长、人均能源消耗和大规模工业化，全球能源需求不断增长，传统化石燃料的可用性是有限的，因此，未来的能源危机将会更加严重。
所以，风能这一类的可再生能源就成为了下一个能源增长点，千年来，风能在全球范围内被用于多种用途，从船和木筏上帆的使用，到用于研磨谷物的风力磨坊，风能在整个历史中都有其用途。
那么在电力能量转换方面，风能是否还能够有亮眼的表现呢？这就要从风能转换为电能的方式上进行探讨和研究了。
首先，电气方面的能量转换策略涉及到风能的捕获和转换，人们通过优化风能转子和发电机的匹配，可以实现最大化的能量转换效率。
同时，电气控制系统的设计也需要考虑到电力输出的稳定性和可控性，以确保风能转换系统在各种运行条件下都能高效工作。
而能够保证这些的，就是在机械方面的能量转换策略，以及风能转子的设计与转动机构的优化了，要知道，风能转子的形状、尺寸和叶片材料选择都会直接影响转子的捕获效率和风能转换效率。
这也就是为什么多年来研究人员一直致力于研究出，更加优良的涡轮能量转换技术的原因，而人类最早的涡轮机是以旋转木马的形式出现的。
早在10世纪左右波斯的垂直轴涡轮机，用于抽水和小规模研磨粮食，英国采用水平轴涡轮机，必须根据风流方向手动定向，因此得名“后磨机”。
然而，真正的大型风力机的实验要从第二次世界大战期间说起，也为现代涡轮机和电网系统铺平了道路。
由此，现代风能转换系统的需求已经实现，直到2012年，全球可再生资源发电量已经十分巨大，其实这也无可厚非，毕竟能源消耗是满足文明日常需求所必需的支柱。
人类从燃烧木材或木炭作为热能开始，加热器系统目前用于从家庭到金属和铁冶炼行业的重型锅炉或熔炉，电能都是作为副产品被人了解的。
而作为副产品，这些不可再生的碳基化石燃料的有害影响是十分严重的，相较而言，潮汐能、太阳能、水能、地热能和风能等清洁和可再生能源的引入给能源系统领域带来了巨大变化。
这其中最具有发展前景的就是风能，而如今能够将风能转换为电能的就被人们称为：风能转换系统，是由风力涡轮机、发电机、控制机构和集成方法组成的集成系统。
涡轮机负责将风能转化为机械能，从而利用风的动能，而涡轮机的效率是转子轴处记录的轴功率和风流中可用功率的函数。
这其中的机械部件主要用于转换为机械动力并传输至系统的电气部件，以及为运动部件提供支撑。
如今的人类科技可以从风流中提取的功率量取决于多种因素，例如风密度、涡轮机转子的形状、叶片尺寸、风速等，高功率的涡轮机转速低、扭矩大。
这与人们认知中的常识或许有些出入，这些涡轮机产生超过无法想象巨大的能量，其中涡轮轴的速度也远超人们的想象。
然而，发电机轴是高速低扭矩的，因此，为了将其与转子轴耦合，添加了齿轮箱，为了有效降低扭矩，高功率并网采用多级变速箱。
行星齿轮组件确保更有效的减速阶段。
风能转换系统的电气组件主要包括发电机、控制器系统以及风速计，用于检测风速以控制涡轮机的运行。
而人类有关于风力发电的技术也不是一蹴而就的，这其中也经历了相当漫长的过程。
风力涡轮机技术的历史自从人类发明了铅酸电池之后，以其更轻、更小的优势为研究人员推进通过涡轮机利用风能的研究提供了可行的选择。
在接下来的几年里，多名研究人员成功建造了某种形式的水平轴涡轮机，这些涡轮机能够为可用的蓄能器充电并照亮单个豪宅或房地产。
受到当时技术发展的限制，人们总是认为涡轮机上的叶片越多越好，于是进行了大量的实验证明，事实证明，旋转较快的较少叶片比缓慢旋转的较多叶片效率更高，因此，涡轮机上的叶片数量也就慢慢减少了。
二十世纪中叶，由于从二战期间传下来的涡轮机有着巨大的发电能力，该涡轮机就成为了第一个连接到配电网的涡轮机。
由于人们认为可大规模利用可耗尽的能源资源，对风能的需求减少，因此对风能转换的研究放缓，直到本世纪末才出现很大进展。
时间进入到了21世纪，美国国家航空航天局通过一系列涡轮机的研究开创了涡轮机技术，这些知识被纳入最新涡轮机的设计中。
例如复合叶片材料、钢管塔、安装在塔上的变速发电机以及动态组件，又或者水平轴涡轮机中叶片的空气动力学、桨距和跨度控制机制，将涡轮机的功率再一次提升到了新的水平线上。
在接下来的几十年里，人们进行了研究以改善转子和涡轮机的空气动力学性能，从而提高了风能系统的效率。
由此可见，人们为了获得合适的替代可再生能源，对现代风能转换系统的需求不断增加，最大功率点跟踪控制器已被发现作为从涡轮机提取最大可能功率的有效控制方法。
发展到如今，风能转换系统已经开始出现了各种各样的分支，其最主流的分类大致可以分为两大类：水平轴风力涡轮机和垂直轴风力涡轮机。
风能转换系统的分类根据不同的因素，风能转换系统分为不同的类别，而最常见的分类是基于系统的旋转轴，而旋转轴的分类无非就是水平与垂直两种：水平轴风力涡轮机：涡轮机的轴和发电机的轴与地面平行放置，并安装到一定的高度，以根据地理位置满足所需的风速。
涡轮机的升高高度也有利于涡轮机在与地面有足够间隙的情况下旋转，涡轮机的机械部件封装在外壳内，该外壳的形状符合空气动力学原理，称为机舱。
在这种情况下，机舱位于转子的正后方，根据机舱相对于涡轮机和塔架的位置，有上风向和顺风向。
反之，逆风轴风力发电机的涡轮机面向风吹的方向，但无论是顺风向还是逆风向，都能够通过使用舵自动调整方向，顺风轴风力发电机的涡轮机背对风流方向。
这种类型的轴风力机面临着叶片振动的问题，因为风首先与机舱相互作用，使风变得湍急，商用涡轮机采用主要采用三个叶片的设计。
然而，两种叶片设计也被小范围使用，需要很高的结构强度，因为涡轮机、齿轮箱、发电机等都放置在高空。
垂直轴风力涡轮机：这种类型的涡轮机将涡轮机安装在轴上，轴上兼有涡轮机结构的塔架和转子叶片垂直放置的翼型部分。
然而，其实还有多种设计可供选择，这些类型的涡轮机的安装和维护比其他类型的涡轮机相对便宜且容易。
由于涡轮叶片不必清除地面和转子轮毂之间的距离，因此塔架的长度可以保持较短，这也有助于减少由于旋转质量而引起的轴振动。
当然不同的是，轴不需要承受整个变速箱和控制机构的重量，因为这些部件被放置在靠近地面的轴的底部。
涡轮机承受的风载荷，随叶片高度的不同而不同，涡轮机顶部承受的风载荷高于底部承受的载荷，导致能量转换效率较低。
因此，它们在高功率应用中的使用在商业上受到限制。
在前面讨论的风能转换系统的各种设计中，一些组件将它们连接在一起，这些系统确实共享许多组件，这些组件能够将风的动能转化为电能，以便有效地存储在电池中。
风力涡轮机是由多个小部件组成的复合机械机器，负责为电气部件供电，风力涡轮机的机械部件在能量转换中发挥着重要作用。
而由于风的运动性质，风的流动含有一些能量，所以机械机制通过允许质量旋转，并将其传输到所需位置，用以与电气组件交互来在系统中引入“功”。
在这里不得不重点提一下升力式垂直轴风力机，由于具有较高的气动系数，因此使用较多，但由于产生的扭矩较小，大多不能自启动。
多年来，人们一直在研究寻找生产转子叶片的理想材料，最初，人们用较重的金属制成，可以抵抗强湍流等环境条件，但由于金属往往具有更高的密度和更高的质量，因此没有任何帮助。
远离中心的质量集中满足了更高的转动惯量，从而减小了转子的加速度，远离中心的质量集中度越高，系统的转动惯量就越高。
其结果就是加速度变小，这反过来又导致对风速的响应减弱，一个巨大的部件只会开始受到可以施加最小力值的风的影响，从而有效地提高切入速度。
除此之外，另一个缺点是断电情况，在高风速的情况下，需要通过制动消耗更多能量，以将旋转保持在一定速度以下。
而这将焦点转向了提供刚性而不增加质量的复合材料，转子的轮毂有利于转子组件的机械支撑，以在转子组件旋转时保持直立。
这就要求能够其容纳轴承，以提供固定支架和轴之间的相对运动，鼻锥体与轮毂集成在一起，主要将与转子中心相互作用的风引导至三个叶片中的任何一个。
传统的转子设计要求轮毂和叶片之间有刚性连接，现代设计已偏离它，包括一个变桨控制机构，负责使叶片绕其自身的轴线旋转，以减少升力并控制涡轮机的速度。
在物理学界内，任何情况下产生的功率都取决于扭矩和角速度，因此，不难看出，通过将结果乘以角速度项并对其进行较小的修改，可以类似地获得等式中给出的最佳功率。
由于此处监控转子速度，因此必须用转子的角速度代替发电机的角速度，近年来，人们进行了各种研究以进一步利用控制策略的潜力。
所以，人们提出了对现有方法进行临时改进以提高效率，同时，对于其实际性也提出了一定的要求要研究。
实质性要求及探索在风能转换系统中，机械和电气元件都起着至关重要的作用，因此，现代风能转换系统中机械和电气部件所用的材料也极为关键。
具体来说，用于机械部件的材料有助于使用质量使涡轮机叶片旋转而使系统“做功”，而用于电气部件的材料有助于将质量传输到所需位置。
通常情况下，风力涡轮机由近三万个元件构成，这些元件分为几个主要部件，包括塔架、机舱和转子，转子包含叶片、轮毂和叶片变桨系统，固定在机舱上。
这其中机舱与塔架相连，机舱包括许多电气和机械部件，例如主轴、变速箱、发电机和控制系统。
而当涡轮叶片旋转时，它会通过齿轮箱驱动发电机，齿轮箱包含特殊合金以适应大范围的风速，齿轮箱放置在由大型管状钢型材制成的塔顶上，型钢主要固定在锚固部件上并建造在地基上。
除此之外，风力涡轮机发电厂还连接了一些传统的地面安装组件，包括发电厂变压器、开关设备和现场电缆，这些电缆连接涡轮机、变压器和电网。
其实在转子子组件中，旋转体包括转子叶片、转子轴承、鼻锥、轮毂和变桨驱动系统，因此，现代风能转换系统的主要机械部件是转子、主轴、齿轮箱、机械制动器、机舱、变桨和偏航驱动器以及测风设备，材料的选择非常重要。
另一方面，现代风能转换系统的主要电气部件是发电机、功率变换器、升压变压器等，其材料的选择非常重要。
所以，电气子系统将机械能转化为来自风的电能，风力涡轮机能源供应链中使用的最有用的组件，从必要的原材料、加工材料、组件到最终产品，多年来，科学家们一直在努力寻找适合转子叶片的材料，时至今日，无论是从材料还是机械原理上来讲，现代风能转换系统还有着很大的进步空间。
结语如今，现代风能转换系统在材料方面的能量转换策略不断革新，这其中涉及到风能转子和发电机的材料选择和性能优化。
无论是材料的强度、耐疲劳性以及耐腐蚀性等特性，都会直接影响风能系统的长期稳定性和寿命。
因此，选择合适的材料并进行材料性能的改进，是提高风能转换效率和降低维护成本的重要手段。
综上所述，风能系统的能量转换策略需要考虑电气、机械和材料方面的因素，通过优化这些方面，可以提高风能系统的性能和可靠性，推动风能技术的发展和应用。
因此，深入研究和应用风能系统的能量转换策略，对于实现可持续能源的利用和保护环境具有重要意义。
