风力发电机分析报告

风力发电技术概述

一、国内外风电发展历史、现状

风能是太阳能的一种表现形式。它是由太阳的热辐射引起的空气流动。太阳把自己能的绝大部分以热的形式给了地球，而到大气求得太阳能约有2%转变为风。所以，地球上风能资源蕴藏丰富。

人类对于风能的开发利用也很早就开始了。对风能的利用首先出现在波斯，在荷兰和英国的风车磨坊大约从公元七世纪就广泛应用，在中国对风能的利用至少不晚于13世纪中叶，主要用于磨面和提水灌溉。利用风力发电的设想始于1890年的丹麦，到1918年，丹麦已拥有120台风力发电机1931 年前苏联采用螺旋桨式的叶片建造了一台大型风力发电机。随后，各国相距建造了一大批大型风力发电机。

但是，近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展，使风力发电机的发展缓慢下来。20世纪70年代后，由于能源短缺，人类生存环境的进一步恶化，环境与能源问题成为当今世界面临的两大挑战。因此寻求无污染、可再生的能源成为科技界的一大目标。风能这一古老而丰富的自然资源，以其易于获得并转换，且分布广泛无污染又能够不断再生，而被重新认识，开发和利用。此时的风力发电机设计应用了航空器的成熟理论，使得风力机的效率比老式的风车提高了几倍乃至十倍。欧美工业发达国家凭借其先进的科技和工业水平，投入数以亿美元计的研制经费，相继制造了兆瓦级风力发电机，形成了风能工业，使风力机的概念由单机运行发展到并网运行和建成有相当规模的风车田。据报道，截止1990年底的报道材料统计，全球风力发电设备总装机容量已经达到3800MW，其中美国约200MW，而且各国正在不断加大对风能开发的投入。面对新世纪的来临，美国、丹麦、荷兰、德国、日本和英国等国家纷纷制定出能源规划的长远目标。

在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期有过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工

作。七十年代后，随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展。目前微型（<1KW）、小型（1-10 KW）风力发电机的技术日渐成熟，已经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600 KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量达到了近25MW。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。

二、风力发电的技术及构成

1、风力发电机组的构成及分类

1.1 构成

风力发电机组由风轮、机舱、塔架和基础构成。风轮是风力机的核心部件。机舱由底盘、整流罩和机舱罩组成，底盘上安装机组发电系统、变桨距系统及偏航系统等主要部件。机舱罩后上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音及通风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机舱达到所需高度，其上布置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制电缆及通信电缆，

塔架上还装有供操作人员上下机舱的扶梯或电梯。基础采用钢筋混凝土结构，其中心预置与塔架连接的基础部件，基础周围还设置了防雷击的接地装置。水平轴风力发电机组机舱构成示意图见图1。

图1 变桨距主动偏航风力发电机组机舱构成

1.2 分类

风力发电机组类型主要按容量和结构即（机型）划分。

（1）按容量分

容量在0.1~1kW为小型机组,1~100kW为中型机组,100~1000kW 为大型机组,大于10000kW 为特大型机组。

（2）按风轮轴方向分

水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。风轮在塔架前面迎风的称为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。上风向风力机需利用调向装置来保持风轮迎风。

垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的风，故无需对风。垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个主要类别。

（3）按功率调节方式分

定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。

变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。

主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。

（4）按传动形式分

高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、齿轮副的增速来满足发电机转速的要求。齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。

直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见的齿轮箱，风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。

中传动比齿轮箱（“半直驱”）型机组：采用一级行星齿轮副，其增速比约为高传动比齿轮副的1/10，因而减少了多极同步风力发电机的极数和体积。（5）按转速变化分

定速机组：转速恒定不变，不随风速变化。

多态定速机组：包含两台不同转速和容量的发电机，可根据风速的变化，选投其中一台运行。

变速机组：发电机转速随风速变化。

2、风力机的气动特性及结构

2.1 气动特性

风轮叶片是风力机最重要的部件之一，其平面和剖面几何形状与风力机空气动力特性密切相关。风轮叶片在空气动力作用下主要产生两种力：升力推动风力机旋转进行有效工作，阻力形成对风轮叶片的正面压力。

风力机将风能转换为机械能的效率用风能利用系数Cp表示，Cp是叶尖速比λ和桨距角β（或攻角α）的函数。叶尖速比λ是叶片的叶尖圆周速度与风速之比，桨距角β是叶片剖面的翼弦线与风轮旋转面间的夹角，而攻角α是叶片剖面的翼弦线与合成气流方向间的夹角。

Cp与λ的典型关系如图2 所示。可以看出，风能利用系数Cp只有在叶尖速比为λm时最大。因此，在一定的风速下调节风力机转速，使其运行在最佳叶尖速比λm条件下，即可捕获最大风能。