第三章风力发电机的类型与结构

水平轴及垂直轴风力发电机组
1.7按风力发电机的运行方式
独立运行风力发电机，风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能， 再供用户使用。这种方式可供边远农村、牧区、海岛、边防哨 所等电网达不到的地区使用。一般单机容量在几百瓦到几kW。 并网运行风力发电机组，在风力资源丰富地区，按一定的排列 方式安装风力发电机组，称为风力发电场。发出的电能全部经 变电设备送到电网。这种方式是目前风力发电的主要方式。 风力同其它发电方式互补运行，风力—柴油互补方式运行，风 力—太阳能电池发电联合运行，风力—抽水蓄能发电联合运行 等。这种方式一般需配备蓄电池，以减少因风速变化导致的发 电量的突然变化所造成的影响，还可节约一次能源。
水平轴风力发电机：风轮轴线安装位置与水平夹 角不大于150度的风力机。可以是升力装置(升力 驱动风轮)，也可以是阻力装置(阻力驱动风轮)。
垂直轴风力发电机：风轮轴线安装位置与水平面 垂直的风力机。在风向改变时，无需对风。在这 点上，相对水平轴风力机是一大优点。这使结构 简化，同时也减少了风轮对风时的陀螺力。
材料特 性
经济性
叶片材 料选择 要求
可靠性
回收再 利用性
可处理 性
物理属 性
叶片材料选择规则
良好的力学、热学及化学特性
高硬度、高强度、低密度
使用寿命长、良好的耐腐蚀性 要易于生产加工、要价格合理 加工助剂的价格要尽量低廉并且操作时不污染环境
叶片的主要材料特性
纤维增强复合材料 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 玻璃钢复合材料
风力发电机组的传动装置包括增速器与联轴器等。
2.8 控制系统及附属部件
2.8.1机舱
风力机常年 在野外运转 狂风暴雨 的袭击
为了使塔架上方 的主要设备不受 风沙的直接侵害
尘砂磨损和 盐雾侵蚀
罩壳——机 舱
2.8.2 机头座
它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件 它牢固与否将直接关系到风力机的安危与寿命 由于微、小型风力机塔架上方的设备重量轻。一般是由 钢板焊接而成， 即根据设计要求在底板上焊上加强肋 中、大型风力机的机头座要复杂一些，它通常由以纵梁、 横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成 焊接质量要高。台板面要刨平，安装孔的位置要精确
轮毂有固定式和铰链式两种
主轴
主轴也称为低速轴，安装在风轮和齿轮箱之间。 前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速连 接，承力大而且复杂。
轴向 力 剪切 力 径向 力
受力 形式
弯矩 转矩
风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种 力，都将经历一次循环
因此会产生循环疲劳
主轴有较高的综合机械性
2.2 齿轮箱
自然界的风速经常变化。风轮的转速随风速的增 大而变快，发电机的输出电压、频率、功率也增加； 当风轮的转速超过额定值时，有可能影响机组的使 用寿命，甚至造成设备的毁坏。为使风轮能以一定 的转速稳定地工作，风力发电机组上设有调速装置。 调速装置是在风速大于设计额定风速时才起作 用，因此又被称为限速装置。当风速增至停机风速 时，调速装置能使风轮顺桨(风向与风轮旋转平面平 行)停机。
变桨距风力发电机：变桨距机组叶片可绕叶片中心轴旋转 ，使叶片攻角可在一定范围内（一般0-90度）调节变化。
性能比定桨距提高很多，但结构复杂，多用于大型机组。 主动失速风力发电机：发电机达到额定功率后，主动失速 调节是使桨距角向减小的方向转过一个角度。 目的使攻角相应增大，以限制风能利用率。
1.5根据叶轮转速是否恒定分类
2.8.3 回转体
回转体(转盘)是塔架与机头座的连接部 件，通常由固定套、回转圈以及位于它 们之间的轴承组成。固定套销定在塔架 上部，回转圈与机头座相连，通过它们 之间的轴承和对风装置相连， 在风向变 化时，机头便能水平地回转，使风轮迎 风工作。
大、中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的回 转机构。 小型风力机的回转体通常是在上、下各设一组轴承 ，可采用圆锥滚子轴承。也可以上面用向心球轴承承 受径向载荷。下面用推力轴承来承受机头的全部重量 。
2 水平轴风力发电机结构
大型风电机组基本结构 1－叶片；2－轮毂；3－机舱；4－叶轮轴与主轴连接；5－主轴；6－齿 轮箱；7－刹车机构；8－联轴器；9－发电机；10－散热器；11－冷却风扇 ；12－风速仪和风向标；13－控制系统；14－液压系统；15－偏航驱动； 16－偏航轴承；17－机舱盖；18－塔架；19、变桨距部分
1.2根据动力学划分
阻力型风力发电机：在逆风方向装有一个阻力装 置，当风吹向阻力装置时推动阻力装置旋转，旋 转能转化为电能。
风力发电机不能产生高于风速很多的转速；风轮转轴的输 出扭矩很大。常用于扬水、拉磨等动力。
升力型风力发电机：风能吹过转子时对转子产生 升力带动转子转动。
由于升力的作用，风轮圆周速度达到风速几十倍，现代风 力发电机组几乎全是此类型。
N N CP NV D2 V 3 8
（3 ）
2 3 N D V C P 8
式中 CP 的值为0.2～0.5。
（4 ）
由式（3）得知：
风轮功率与风轮直径的平方成正比 风轮功率与风速的立方成正比
风轮功率与风轮的叶片数目无直接关系
风轮功率与风轮功率系数成正比
因此，当风轮大小、工作风速一定时，应尽可能提 高CP 值，以增大风轮功率。这是从事风能开发利 用的科技人员追求的主要目标之一。
1 1 2 3 NV （ mV AV 1） 2 2
若风轮的直径为D，则
2 1 1 D 3 3 2 （ 2 ） NV AV V D V 3 2 2 4 8 这些风能不可能全部被风轮捕获。
风轮捕获风能并将之转换成机械能，再由风轮 轴输出的功率N（称之为风轮功率)。它与 NV 之比，称为风轮功率系数(或风能利用系数)， 用 CP 表示，即

功率较大的风力发电机组，应用电磁 制动器和液压制动器，当采用电磁制动器 时，需要有外电源；当采用液压制动器时 ，除了需要外电源，还需要油泵，电磁阀 ，液压油缸和管路等。
2.8.5 控制系统
控制系统的功能
控制系统利用DSP微机处理机，在正常运行
玻璃钢叶片
用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如
钢和铝，以及玻璃钢。由于叶片的木材一般要选 用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、 取材率低、造价高、维修不便。钢金属材料制造， 又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产
品不耐腐蚀等一系列问题。因此，目前在国内已
很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃 钢。
恒速风力发电机 恒速风力发电机的设计简单可靠，造价低，维 护量小，可直接并网；缺点是气动效率低，结 构负荷高。
变速风力发电机 变速风力发电机的气动效率高，机械应力小， 功率波动小，成本效率高，支撑结构轻；缺点 是功率对电压降敏感，电气设备的价格较高， 维护量大。
1.6按照风力机旋转的主轴方向
单管拉线 式 衍架拉 线式塔 架
塔架的 基本形 式
锥筒式塔 架
衍架式 塔架
微型风力机 小，中型风 力机
中，大小型 风力机
大型风力机
2.6 增速器
由于风轮的转速低而发电机的转速高，为匹 配发电机，要在低速的风轮轴和高速的发电 机轴之间接一个增速器，增速器就是使转速 提高的变速器。增速器的增速比是发电机额 定转速和风轮额定转速比。
叶片及叶片材料
叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质 量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素
叶片材料经历了木制叶片 布蒙皮叶片 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 铝合金叶片 复合材料叶片 新型复合材料叶片
。
叶片发展趋势
风力机风轮叶片向大功率、长叶片方向发展 风力机风轮叶片不断的更新设计，以有好的气动性能 碳纤维复合材料在风力机风轮叶片上的应用不断扩大 在风力机叶片上大量采用碳纤维复合材料，但是又取 决于碳纤维的价格
微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而采用青 铜加工的滑动轴承。这是为了防止机头对瞬时变化的 风向过于敏感而导致风轮的频繁回转。
2.8.4 制动装置

制动装置是使风力发电机停止运转的装置(也称 刹车系统)。对于微型和小型风力发电机，可采用 如图所示的刹车机构。

在中型和大型风力发电机组中，有采用 叶尖气动刹车和机械式刹车组成的制动系 统。
第三章 风力发电机的
类型和结构
1 风力发电机的种类
1.1按风力发电机的功率分类
①微型风力发电机，其额定功率为50～1000W。
②小型风力发电机，其额定功率为1.0～10.0kW。
③中型风力发电机，其额定功率为10.0～100.0kW。
④大型风力发电机，其额定功率大于100kW。
小型及大型风力发电机组
1.3根据转子受力风向划分
顺风型风力发电机：发电机在转子前面 ，转子自然顺风受力产生能量。 逆风型风力发电机：发电机在转子后面 ，转子由外力调节，始终保持迎风受力 从而产生能量。
1.4根据桨叶接受风能的功率调节方式
定桨距（被动失速型）风力发电机：定桨距（失速型）的 桨叶与轮毂的连接是固定的。 风速变化时，桨叶的迎风角不能随之变化。定桨距（失速 型）机组结构简单、性能可靠。
2.4 发电机
发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的 设备。
直流发电机
永磁发电机
同步交流发 电机
异步交流发 电机
2.5 塔架
塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统，塔 架与基础相连接，承受风力发电系统运行引起的各 种载荷，同时传递这些载荷到基础，使整个风力发 电机组能稳定可靠地运行。
风力机调速装置调速原理
减少风轮迎风面积
改变叶片翼型攻角值
• 侧翼装置
• 偏心装置 • 缩小风轮圆形迎风 面积
• 配重(飞球)与弹簧配 合装置
• 叶片重量与弹簧配 合装置