第三章风力发电机的类型与结构..

1.6按照风力机旋转的主轴方向
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。
风以速度V吹向风轮时，风轮转动。设旋转着 的风轮其扫掠面积为A，空气密度为 ，在1s 中内流向风轮的空气所具有的动能为
NV

1（m1V）2 2
11 2
AV 3

1（ 2）D2 V 3 24

8
D2V 3
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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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
CP

N NV

N
D2V 3
8
（3）
N


8
D 2V
3CP
（4）
式中 CP的值为0.2～0.5。
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
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。
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
2.1风轮及其组成
叶片
风轮 轮毂
风轮 轴
风轮的组成图
风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别 于其它动力机的主要标志。风轮的作用是捕捉和 吸收风能。并将风能转变成机械能。再由风轮轴 将能量送给传动装置以水平轴升力型风力机的风 轮为例(下图)来说明风轮功率的计算。
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
叶片是风力机捕捉风能的最重要部件。风能利用效率取决 于良好的叶片的空气动力外型，以及具有高强度、高硬度、 低密度以及较长使用寿命等优良特点的制造材料。
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。
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
叶片的主要材料特性
平板型
风力发电机 组的叶片
流线型
叶片横截 面形状基
本类型
风力提水机 的叶片
弧板型
常见的风力机叶片的横截面结构图
叶片材料选择的要求及选择规则
安全性
运行要 求
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
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。
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