风力机分类

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三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风电机组一般 采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。我国安 装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。 叶片数量减少，将使风轮制造成本降低，但也会带来很 多不利的因素，在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风 轮上的脉动载荷大于三叶片风轮。另外，由于两叶片风轮转 速高，在旋转时将产生较大的空气动力噪声，对环境产生不 利影响，而且风轮转速快视觉效果也不好。 风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常 用于反映风轮的风能转换性能。 风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但 功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮 实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦， 对叶尖速比变化越不敏感。
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风轮转速、叶尖速比
叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比，是描述 风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。 wR r
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• H形风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点处产生严 重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支 撑产生气动阻力，降低了风力机的效率。 • φ形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷， 使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力 要强，对于相同的总强度，φ形叶片比较轻，且比直叶片 可以更高的速度运行。但φ形叶片不便采用变浆距方法来 实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮，φ 形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。
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§3-2 风电机组主要参数及设计级别
风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。
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一. 主要参数 风轮直径与扫掠面积
风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风 轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度， 是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。 根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为 1 P SC P 3 2 式中，S为风轮的扫掠面积，S 4 D增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的 风功率也相应增加。
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D2
风电机组风轮直径和相应功率的发展变化情况。 早期的风电机组直径很小，额定功率也相对较低，大 型兆瓦机组的风轮直径在70~80m范围，目前风轮直径 超过100m、额定功率超过若干兆瓦的风电机组投入商 业运行。
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轮毂高度 风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风电机 组设计时要考虑的一个重要参数。 由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风 能也越大，因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来 越高。但是轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应增加， 当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等 方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本相应增加。
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按传动形式划分
高传动比齿轮箱型： 优点：由于极对数小，结构简单，体积小； 缺点：传动系统结构复杂，齿轮箱设计、运行维护复 杂，容易出故障。
直接驱动型：采用多级同步风力发电机，让风轮直接 带动发电机低速旋转。 优点：没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护 成本大等，提高了运行可靠性。 缺点：发电机极对数高，体积比较大，结构复杂。
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一、水平轴风力发电机
水平轴风力机的叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与 风向垂直。叶片径向安置于风轮上，与旋转轴垂直或近似 垂直。风轮叶片数目视风力机用途而定，用于风力发电的 风力机的叶片数一般取1～3片，用于风力提水的风力机叶 片数一般取12～24片。
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按风轮转速的快慢划分，可分为高速风力机和低速风力 机。 高速风力机叶片数较少，1～3片应用得较多，其最佳转 速对应的风轮叶尖线速度为5～15倍风速。在高速运行时， 高速风力机有较高的风能利用系数。由于叶片数较少，在 输出功率相同的条件下，比低速风轮要轻得多，因此适用 于发电。 叶片数较多的风力机的最佳转速较低，为高速风力机的 一半甚至更低，风能利用率也较高速风轮的低，通常称为 低速风力机。起动力矩大，起动风速低。低速运行产生较 高的转矩，因而适用于提水。
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通过传动系统连接风轮和发电机，使发电机转子达 到所需要的转速。并网风电机组所用交流发电机的同步 转速为 60 f
n p (r / min)
p为发电机磁极对数；为电网频率， f 50Hz。 风轮转速较低，约10~20r/min，而发电机要输出 50Hz的交流电功率，当发电机的磁极对数不同时，要求 转子的转速也不同。如当磁极对数为2时，要求发电机其 转子转速在1500r/min左右，这时需要在风轮与发电机组 之间用齿轮箱进行增速。如果发电机组的极对数足够大， 使得发电机转速与风轮转速接近，就不需要增速齿轮箱。
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陆地风电机组 海上风电机组
沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别，海上风 电机组具有一些特殊性： 1)适合选用大容量风电机组。海上风速通常比沿岸陆地 高，风速比较稳定，不受地形影响，风湍流强度和风切变 都比较小，并且具有稳定的主导风向。在相同容量下，海 上风电机组的塔架高度比陆地机组低。
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2)风电机组安全可靠性要求更高。海上风电场遭遇极端气象 条件的可能性大，强阵风、台风和巨浪等极端恶劣天气条件都 会对机组造成严重破坏。海上风电场与海浪、潮汐具有较强的 耦合作用，使得风电机组运行在海浪干扰下的随机风场中，载 荷条件比较复杂。海上风电机组长期处在含盐湿热雾腐蚀环境 中，加之海上风电机组安装、运行、操作和维护等方面都比陆 地风场困难。因此，海上风电机组结构，尤其是叶片材料的耐 久性问题极为重要。 3)基础形式与陆地风电机组有巨大差别。由于不同海域的水 下情况复杂、基础建造需要综合考虑海床地质结构、离岸距离、 风浪等级、海流情况等多方面影响，因此海上风电机组复杂， 用于基础的建设费用也占较大比例。 海上风电在风资源评估、机组安装、运行维护、设备监控、 电力输送等许多方面都与陆地风电存在差异，技术难度大、建 设成本高。
定桨距风力机
按功率调节方式划分
变桨距风力机 主动失速型风力机
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定桨距风力机:叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力 机的功率调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过 额定风速时，在叶片后端将形成边界层分离，使升力 系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率的进 一步增加。 优点:结构简单。 缺点:不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定，并 且由于阻力增大,导致叶片和塔架等部件承受的载荷相 应增大。此外，由于桨距角不能调整，没有气动制动 功能，因此定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制 动机构。
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变桨距风力机：叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。 在超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使攻角减小， 以改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的， 使机组能够在额定功率附近输出电能。 优点：高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。 缺点：需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。 目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。 主动失速型风力机：工作原理相当于以上两种形式的组合。 利用叶片的失速特性实现功率调节，叶片与轮毂不是固定连 接，叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角调节。当机组达到 额定功率后，使叶片向桨距角减小的方向转过一个角度，增 大来风攻角，使叶片主动进入失速状态，从而限制功率。 优点：改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。 缺点：增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。
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二、垂直轴风力发电机
定义：垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴进行旋转。 特点：①无需调风向装置，可接受来自任何方向的风， 风向改变时无需对风。②齿轮箱和发电机均可安装在地 面上或风轮下，运行维修简便，费用较低。③叶片结构 简单，制造方便，设计费用较低。 分类：阻力型风力机：利用空气对叶片的阻力做功。 升力型风力机：利用翼型升力做功。
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升力型:达里厄型风力机是水平轴风力机的主要竞争者。 形式:有φ形、H形、△形、Y形和菱形等。根据叶片结构 形状，可简单地归纳为直叶片和弯叶片两种。
H形风轮和φ形风轮应用最为广 泛。叶片具有翼型剖面，空气绕叶 片流动而产生的合力形成转矩，因 此叶片几乎在旋转一周内的任何角 度都有升力产生。达里厄风力机最 佳转速较水平轴的慢，但比S形风 轮快很多，其风能利用系数与水平 轴风力机相当。
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按照风轮与塔架相风式风力机 以空气流向作为参考，风轮在塔架前迎风旋转的风力机为 逆风式风力机。需要调风装置，使风轮迎风面正对风向。
顺风式风力机
风轮在塔架的下风位置旋转的风力机。能够自动对准风向， 不需要调向装置。缺点：空气流先通过塔架然后再流向风 轮，会造成塔影效应，风力机性能降低。
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叶片数 组成风轮的叶片个数，用B表示。 选择风轮叶片数时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮 和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。
采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将 产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。
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多叶片风车的最佳 叶尖速比较低，风轮 转速可以很慢，因此 也称为慢速风轮。当 然多叶片风轮由于功 率系数很低，因而很 少用于现代风电机组。
第三章
风力机分类和构成
风力机的类型
风电机组主要参数及设计级别 水平轴风力机构造
§3-1 风力机的类型
按容量划分
小型风力机：容量小于60kW 中型风力机：容量为70～600kW 大型风力机：容量为600～1000kW（1MW） 巨型风力机：容量大于1000kW。 单机容量越大，桨叶越长。2MW风力机叶片的直 径已经达到72m，最长的叶片已经做到50m，且随着机 组容量的增加会更长。
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风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩。 衡量风轮转矩性能重要参数： 转矩系数：功率系数除以叶尖速比。 转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。现代并网 风电机组希望转矩系数小，以降低传动系统的设计费用。