04第四讲小型风力发电机组成-风电-2012

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图12 对风装置
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中小型风力机可用舵轮作为对风装置， 其工作原理大致如下：当风向变化时， 位于风轮后面两舵轮（其旋转平面与 风轮旋转平面相垂直）旋转，并通过 一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风 轮重新对准风向后，舵轮停止转动， 对风过程结束。
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大中型风力机一般采用电动的偏航系 统来调整风轮并使其对准风向。偏航 系统一般包括感应风向的风向仪，偏 航电机，偏航行星齿轮减速器，回转 体大齿轮等。
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热塑性复合材料叶片发展趋势 目前使用的风电叶片都是由热固性复合材料制造，
很难自然降解。一些风电叶片制造商开始研究制 造热塑性复合材料叶片“绿色叶片”。热塑性复 合材料具有可回收利用、质量轻、抗冲击性能好、 生产周期短等一系列优异性能。热塑性复合材料 叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可以 降低10%，抗冲击性能大幅度提高，制造周期至 少降低1/3，而且可以完全回收和再利用。但是， 使用热塑性复合材料制造叶片的工艺成本较高， 成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关 键问题。
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径向转子结构
切向转子结构
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径向磁场型式是一对磁极的两块磁钢串联。仅有 一个磁钢截面积对一个气隙提供磁通，而由两个 磁钢长度对发电机提供磁势。磁铁的磁化轴线与 气隙磁通轴线基本一致，而且接近转子表面，有 可能在转子装配后进行组件充磁。因为小型风力 发电机的运行速度比较低，直接将励磁磁钢粘结 在转子磁轭上。为了减轻转子的整体重量，可以 在转子磁轭上开减轻孔。
DC High consumption load 高耗能负载
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叶片
风电机组是通过叶轮来获得能量，为了使得 叶片具有更高的捕风能力，叶片的优化设计显得 十分重要，尤其是符合空气动力学要求的大型风 电叶片的最佳外形设计和结构优化设计，为了保 证风电机组运行平稳、安全和使用寿命，不仅要 求叶片的质量轻，也要求叶片的质量分布必须均 匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。 其性能优劣将直接影响着整机性能的好坏和使用 寿命。叶片的气动设计及可靠性是保证风电机组 正常稳定运行的决定性因素。影响风电叶片相关 性能的因素主要有原材料、叶片设计和叶片制造 工艺。
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在切向结构中，磁铁的磁化轴线与气隙磁 通轴线接近垂直而且偏离转子表面，组件 充磁困难，必须先充磁后装配。由于稀土 磁铁的磁性强，给加工、检测、装配和动 平衡等带来困难，对工艺及清理提出了较 高的要求。从工艺要求来看，切向磁化结 构对零件精度及装配质量要求较高。
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1kW低转速稀土永磁发电机
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20世纪90年代末，风电机组单机容量不断增 加，叶片长度不断增加，为保证机组的寿 命及安全，要求叶片具有质量轻、强度高 的特点。开始采用碳纤维复合材料(Carbon Fiber)，用该材料制成的叶片具有强度高的 特点，是普通玻璃钢复合材料叶片强度的 两至三倍，所以碳纤维复合材料逐渐应用 到超大型风机叶片中。但是碳纤维复合材 料价格昂贵，用于叶片生产成本太高，所 以影响了它在风力发电领域的应用。
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最近，爱尔兰Gaoth风能公司与日本三 菱重工和美国Cyclics公司正在联合开 发低成本的热塑性复合材料叶片制造 技术。预计随着热塑性复合材料制造 工艺技术研究工作的不断深入及相应 的新型热塑性树脂的开发，热塑性复 合材料叶片将逐步成为现实。
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独立运行风力发电系统的发电机
风力发电机所用的发电机可以是直流 发电机，也可以是交流发电机。
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在20世纪70、80年代，制作风电机组风轮叶 片主要材料是铝合金和木材。木质叶片具 有易成型，强度高等特点，但是需要人工 削制，加工周期长，并需消耗大量木材， 适用于中小型风电机组。采用铝合金材料 制作叶片需要通过挤压成型等弦长叶片， 其具有质量轻、强度高、易于加工等特点， 但是目前尚未解决从根部到尖部减缩的加 工工艺，限制其在大型风电机组中的适用。
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为更好地适应市场需求和进一步降低海上 风力机基础成本，研发、生产大型化风电 机组已经成为各个风电设备制造企业的主 要目标。从目前风电市场上来看，风电机 组单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、 3.6MW、4.2MW、4.5MW、5MW到7MW。 风轮直径从80m、82.4m、100m、110m、 114m、116m、126.5m到150m。风力发电机 大型化、巨型化趋势十分明显。
低蓄电池的寿命。 2.避免在高温下使用。因高温会使蓄电池寿
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偏离主风向控制方法
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控制叶片角度的机构 47
扰流控制器
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储能装置
储能装置对孤立运行的小型风力机是 十分重要的。其储能方式有两种。
1.热能储存。只要使用电阻式电热器 就可将电能变成热能,用热水将其储存 起来。
2.化学能储存。蓄电池是化学储能的 典型方式。
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铅酸蓄电池的单片电压为2伏，在使用中， 往往把几个蓄电池串联或并联起来。
直流发电机 在结构上有永磁式和电励磁式两种类
型。
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永磁式直流发电机利用永久磁铁来提 供发电机所需的励磁磁通。
电励磁式直流发电机则是借助在励磁 线圈内流过的电流产生磁通来提供发 电机所需的励磁磁通，由于励磁绕组 与电枢绕组连接方式的不同，分为他 励与并励(自励)两种型式。
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直流发电机通常是在发电机内产生交 流电，然后通过电刷和集流环把交流 电转变成直流电。现在有一个更常用 的方法，通过二极管，把交流发电机 产生的交流电变成直流电，它无需电 刷和集流环，从而可利用交流电机的 低速特性比直流电机好的优点。
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德国的Enercon 公司对叶片结构进行了深入 研究，为缩小叶片的外形截面，剖面结构 采用蒙皮与主梁形式。常用的有玻璃纤维 夹层板做成C型、O型或箱型大梁，内部填 充硬质泡沫塑料。如下图所示。
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叶片大型化发展趋势 科技部有关人士在2010北京国际风能大会上表示
从传统的1.5兆瓦风力机的制造，转向3兆瓦、5兆 瓦、6兆瓦，甚至是10兆瓦大型机组的研发和制造， 国内主流风机设备制造商的转向从一个侧面反映 出目前国内外市场的发展趋势。 在陆上风电项目 基本布局完毕的情况下，海上风电市场正成为下 一阶段各个装备制造企业竞争的主战场。和传统 的陆地风电机组不同，由于海上风电场基础成本 所占比重大，为分摊基础成本，就要求单机容量 相对陆上机组容量更大。
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发电机多为低转速永磁同步电机，永 磁材料选用稀土材料，使发电机的效 率达到0.75以上。
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对风装置
图12是一些典型对风装置。采用方法 主要有（a）用尾翼控制对风；（b） 在风力机两侧装有控制方向的小型舵 轮；（c）用专门设计的风向传感器和 伺服电机相结合，多用于大型风力机。
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叶片智能化发展趋势 风电机组运行过程中，一旦出现叶片所承
受外界载荷（温度、风速、风载等）超过 设计载荷、叶片主体产生裂纹、外界雷击 等可能对叶片造成损伤的情况时，监控系 统就会发出预警信号，以便对叶片进行及 时的调整、维护和保养，提高风电机组运 行的可靠性。
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分段式叶片发展趋势 由于玻璃纤维使用的环氧树脂或多元脂产量大，
价格便宜,传统的兆瓦级风电机组叶片普遍都是采 用玻璃钢强化塑料（GFRP）制作，并且世界上 所有风电叶片都采用整体模具生产。玻璃钢强化 塑料由于刚度和强度的限制，使大型风电机组叶 片质量太重，导致制造、运输和安装的困难。为 了方便兆瓦级叶片的道路运输，某些公司已经开 始尝试分段制作叶wenku.baidu.com。例如，德国Enercon公 司 的E126 6MW风电机组的叶片由内、外两段叶片组 成，靠近叶根的内段由钢制造，外包玻璃钢壳体 形成气动形状表面。
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交流发电机
永磁式发电机 永磁发电机的特点
永磁发电机转子上无励磁绕组，因此 不存在励磁绕组铜损耗，比同容量的电励 磁式发电机效率高；转子上没有滑环，运 转时更安全可靠；永磁发电机的重量轻,体 积小，制造工艺简单。因此在小型及微型 风力发电机中被广泛采用，永磁发电机的 缺点是电压调节性能差。
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1925年,美国的雅克布斯风力发电机厂发明并生产 了三叶片螺旋桨式叶片风力发电机，这使得水平 轴风电机组的性能和发电效率取得了较大的提高。 良好的气动性能决定风电机组叶轮捕获风能及转 化效率。随着风力发电技术的发展，发电机组的 单机容量不断增加，叶片长度在不断加长，重量 也不断加重，在保证叶片气动性能的同时，如何 保证叶片的强度成为首要的问题。所以对叶片材 料的选择和主体结构的设计显得至关重要。
蓄电池的电压在不用时会逐渐降低，平均 每个月自身放电20%左右。温度越高，蓄电 池越旧以及铅酸蓄电池电解液的比重越大， 其自身放电也越严重。
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蓄电池的充放电特性在低温状态下明 显下降。并且蓄电池必须放在通风的 地方,因为蓄电池在充电时会产生氢气 和氧气，不通风易造成氢气爆炸。
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在使用蓄电池时要注意下列事项： 1.防止过充、过放电，因过充、过放电会降
第四讲
独立运行风力发电机 组成与控制
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独立运行风力发电系统 组成部分
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水平轴风力发电机的主要组成部分包 括：风轮，发电机，塔架，对风装置 （尾舵），蓄能系统，逆变器等，如 图1风力发电机主要组成（水平轴）。
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Large scale off-grid wind power system 非并网风力发电系统示意图
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1888年，美国的CharlesF.Brush设计并制作了世界 第一台用于发电的风力发电机，所用的叶片采用 平板式叶片，发电机效率很低。
随后经过几年的发展，在1891年，丹麦的Poul Lacour教授首次将空气动力学引入到风力发电领 域，并且是世界上第一位利用风洞来进行风力发 电实验研究的科学家，为设计和制作高效率、高 性能的风力发电机开辟了新途径。由于当时空气 动力学理论尚不成熟，计算结果不太准确，故叶 片设计仍不理想，效率不是很高。直至20世纪初， 飞机制造业的蓬勃发展，带动空气动力学的日趋 完善，使人们对叶片的气动设计更为重视。
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目前，风电叶片基本上是由不饱和树脂、乙烯基 树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E－玻璃纤 维、S－玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工 铺放或树脂注入等成型工艺复合而成。
叶片的重量太重，还会加重其他部件如轮毂、控 制器、发电机、变桨机构、塔架等设备的负担， 造成变桨灵敏度下降、控制延时、系统协调性差 等缺陷。改变叶片内部结构也是降低叶片重量、 降低成本、优化机组性能的有效方法。
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切向式结构是把磁钢镶嵌在转子磁极中间， 磁钢与磁极固定在隔磁衬套上。磁极由导 磁性能良好的铁磁材料(如软铁等)制成，衬 套由非磁性材料制成(如铝、工程塑料等)， 用以隔断磁极、磁钢与转子的磁通路，减 小漏磁。
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切向式结构是一对磁极的两块磁钢并联，由两块 磁钢向一个气隙提供磁通，这样发电机的气隙磁 密度高，制造出的发电机体积小。切向磁场型式 的转子整体结构比较复杂，除机械加工量比较大 外，它的拼装必须用专用设备，尤其将磁钢镶嵌 到磁极中间要有专用工具。转子拼装好后，在转 子端部将磁钢固定好，以免造成转子(对定子)的 扫膛现象，甚至卡死，发电机烧坏现象。
蓄电池的容量用安时（Ah）表示。蓄电池 的电压随着放电逐渐下降，并且在放电后 期电压大幅度下降，所以铅酸蓄电池的电 压在1.4-1.8伏的范围内必须停止使用。
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蓄电池能够多次反复使用，但经过若干次 放电周期后，蓄电池的容量老化到标准值 的80%以下时，便不能继续使用。铅酸蓄电 池的使用寿命为1-20年左右。
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转子结构设计分析
永磁同步发电机的定子结构与电磁式同步发电机 的定子结构基本相同，而转子的结构形式则有所 不同，永磁同步发电机以永久磁铁取代了电磁式 同步发电机的电励磁绕组，简化了发电机的结构。 其转子有多种结构形式，通常按永磁体磁化方向 和转子旋转方向的相互关系，分为切向式、径向 式、混合式和轴向式四种。在实际的应用中，常 以切向磁化结构和径向磁化结构居多。