风力发电机原理

《可再生能源与可持续发展》作业题目：风力发电机原理

班级：08机制4班

******

学号：*******

******

2011年11 月

目录

1 风力发电机概述 (2)

2 水平轴涡轮发电机 (2)

2.1 水平轴涡轮机结构 (3)

2.2 水平轴涡轮机叶片 (4)

2.3 发电机 (5)

2.4 制动系统 (6)

3 风力发电前景展望 (7)

结论 (7)

参考文献： (7)

风力发电机原理

1 风力发电机概述

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，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；我国也在西部地区大力提倡。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。

风力发电机的基本工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，将风的动能转变为风轮轴的机械能，风轮轴带动发电机旋转发电。其中风能转化装置称为风力机。风力机的核心部分为叶轮的设计，随着空气动力学的飞速发展，叶轮设计已经取得了巨大的进步。[1]

2 水平轴涡轮发电机

正如其名字的含义，水平轴风力涡轮机的转轴是水平安装的，与地面平行。水平轴风力涡轮机需要使用偏航调整装置时刻根据风向进行调整。偏航系统通常包括电机和变速箱，用于缓慢左右移动整个转子。涡轮机的电子控制器读取风向标设备（机械或电子风向标）的位置，并调整转子位置以尽量捕获最大的风能。水平轴风力涡轮机使用塔架将涡轮机组件上升到最适合风速的高度（这样叶片便不会碰到地面），并且占用非常少的地面空间，因为几乎所有组件都在高达80米的空中。

大型水平轴风力涡轮机组件：

转子叶片——捕获风能并将其转换为转轴的转动能

转轴——将转动能转移到发电机内

发动机箱——一个箱子，其中包含：

变速箱——用于增加转子中心和发电机之间的转轴速度

发电机——利用转轴的转动能，通过电磁性发电

电子控制装置（未显示）——监视系统，用于在出现故障时关闭涡轮和控制偏航装置。

偏航控制器（未显示）——移动转子使其与风向保持一致

制动装置——在出现电力超载或系统故障时停止转轴旋转。

塔架——支撑转子和发动机箱，并将整个装置上升到更高位置，使叶片不会碰到地面。电力设备——从发电机向下通过塔架输送电流，还可控制涡轮机的多个安全部件

涡轮叶片的形状非常像飞机翅膀——它们使用了机翼设计。在机翼中，叶片的一面略有弧度，而另一面则相对较平。上升是非常复杂的现象，实际上可能只有数学或物理学博士才能完全领会。不过我们可以这样来简单解释上升现象：当风沿着顺风的叶片弧面经过时，它必须加快速度才能及时到达叶片末端，以追上从叶片逆风的较平面上（也就是面朝风吹来的方向）经过的风。由于移动速度较快的空气将在大气中上升，顺风的弧面上将出现低压团。低压区域向顺风方向吸引叶片，此称为“上升”效应。在叶片的逆风面，风速较慢，产生推动叶片的较高压力区域，使其减速。和机翼设计类似，高升阻比对于设计高效涡轮叶片至关重要。涡轮叶片呈螺旋状，这样便始终可呈现出利用理想升阻力比的角度。有关上升力、阻力和机翼空气动力学的更多信息，请参见飞机如何飞上蓝天。

空气动力学不是制造高效风力涡轮机的唯一设计考虑。尺寸也很重要——涡轮叶片越长（因此转子直径越大），涡轮可从风中捕获的能量越多，发电容量也就越大。通常，将转子直径加倍，可将能量输出提高至原来的四倍。但是，在某些情况下，如在风速较低的地区，直径较小的转子可以比直径较大的转子产生更多能量，因为较小的装置用于转动较小发电机的风能较少，因此涡轮机可以几乎一直以满功率运行。塔架高度也是影响发电容量的一个主要因素。涡轮越高，所能捕获的能量越多，因为风速随高度提升而增加——地面摩擦和地面物体会阻碍风的流动。科学家估计高度每上升一倍，风速增加12%。

要计算涡轮机实际从风中产生的能量多少，您需要知道涡轮机所在地点的风速和涡轮机功率。多数大型涡轮机在风速约15米/秒(33mph)的情况下可产生最大能量。考虑到在风速稳定的情况下，转子直径决定涡轮机可产生的能量多少。请记住，随着转子直径增加，塔架高度也会增加，这意味着将接触到速度更快的风。

2.3 发电机

国内目前装机的电机一般分为二类，在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

异步型

（1）笼型异步发电机；功率为600/125kW 750kW 800kW 1250180kW

风力发电机

定子向电网输送不同功率的50Hz交流电;

（2）绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW

定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。

同步型

（1）永磁同步发电机；功率为750kW 1200kW 1500kW 由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电

（2）电励磁同步发电机;由外接到转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电

异步电机

电机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。它和感应电机基本上