小型风力发电机的认知.doc

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1、小型风力发电机的认知一、任务导入你见过风力发电机吗？如果你还没有见过一台真正的风力发电机的话，那么，有一样东西，你肯定是不会陌生的，那就是儿童们逢年过节玩耍的“风车”，风力发电机就是由它逐渐演变而来的。二、相关知识学习情境1 风力发电机组的基本知识（一）风力发电技术风力发电技术是一项高新技术，它涉及气象学、空气动力学、结构力学、计算机技术、电子控制技术、材料学、化学、机电工程、电气工程、环境科学等十几个学科和专业，因此是一项系统技术。1风力发电技术的划分利用风力发电的尝试，早在20世纪初就已经开始了。20世纪30代，丹麦、瑞典、前苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装

2、置。这种小型风力发电机，广泛地存多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，发电机的功率较低，大都在5kW以下。一般来说，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于4m/s才适宜于发电。据测定，一台55kW的风力发电机组，当风速为9.5m/s时，机组的输出功率为55kW；当风速为8m/s时，功率为38kW；当风速为6m/s时，功率只有16kW；而风速为5 m/s时，功率仅为9.5kW。可见风力越大，经济效益也越大。风能技术分为大型风电技术和中小型风电技术，虽然都属于风能技术，工作原理也相同，但是却属于完全不同的两个行业。具体表现在攻策导向不同、

3、市场不同、应用领域不同、应用技术更是不同，完全属于同种产业中的两个行业。因此，在我国风力机械行业会议上把大型风电和中小型风电区分出来分别对待。此外，为满足市场不同需求，延伸出来的风光互补技术不仅推动了中小型风电技术的发展，还为中小型风电开辟了新的市场。（1）大型风电技术 大型风电技术起源于丹麦、荷兰等一些欧洲国家，由于当地风能资源丰富，风电产业受到政府的助推，大型风电技术和设备的发展在国际上遥遥领先。目前，我国政府也开始助推大型风电技术的发展，并出台一系列政策引导产业发展。大型风电技术都是为大型风力发电机组研发的，而大型风力发电机组的应用区域对环境的要求十分严格，都是应用在风能资源丰富的资源有

4、限的风场上，常年接受各发电场各种各样恶劣的环境考验。环境的复杂多变性，使其对技术的高度要求直线上升。目前国内大型风电技术普遍还不成熟，大型风电的核心技术仍然依靠国外，此外，大型 图1-22 大型风力风电技术中发电并网的技术还在完善，一系列的问题还在制约大型风电技术的发展。如图1-22所示。（2）中小型风电技术在20世纪70年代，中小型风电技术在我国风况资源较好的内蒙古、新疆一带就已经得到了发展。最初中小型风电技术被广泛应用在送电到乡的项目中为一家一户的农牧民家用供电，随着技术更新的不断完善与发展，不仅能单独应用还能与光电互补被广泛应用于分布式独立供电。这些年来，随着我国中小型风电设备出口的稳步

5、提升，在国际上，我国的中小型风电技术和风 图1-23 小型风力发电站光互补技术已跃居国际领先地位。如图1-23所示。中小型风电技术的成熟受自然资源限制相对较小，作为分布式独立发电效果显著，不仅可以并网，而且还能结合光电形成更稳定可靠的风光互补发电系统，况且技术完全自主国产化，无论是技术还是价格在国际上都十分具有竞争优势。目前，国内中小型风电技术中的低风速启动、低风速发电、变桨距、多重保护等一系列技术得到国际市场的瞩目和国际客户的一致认可，已处于国际领先地位。况且中小型风电技术最终是为满足分布式独立供电的终端市场，而非如大型风电技术是满足发电并网的国内垄断性市场，技术的更新速度必须适应广阔而快速

6、发展的市场需求。2风力发电的优势风能是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，可因地制宜地利用风力发电。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。每装一台单机容量为1MW的风能发电机，每年可以减排2000t二氧化碳（相当于种植1平方英里的树木）、lOt二氧化硫、6t二氧化氮。风能产生1MWH的电量可以减少0.80.9t的温室气体，相当于煤或矿物燃料一年产生的气体量。而且风机不会危害鸟类和其他野生动物。在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力。如图1-24所示。

7、图1-24 风力发电与配电示意图风力发电，是面向未来最清洁能源之一。兆瓦级全功率风力发电变流器，是为风力发电机与电网之间建立的桥梁和纽带，它是一种将多变的风力电能变换成稳定的电能馈人电网的装置。随着大型风力发电机技术的成熟和产品商品化的进程，风力发电成本在逐年降低。风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过3个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；运行简单，可完全做到无人值守；实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；

8、对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等集成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。由于风电市场的扩大、风电机组产量和单机容量的增加及技术上的进步，使风电机组每千瓦的生产成本在过去近20年中稳定下降。以美国为例，风力发电的成本降低了80%。20世纪80年代安装第一批风力发电机时，每发lkWh电的成本为30美分，而现在只需4美分。另外，由于风电机组设计和工艺的改进（如叶片翼型改进等），性能和可靠性提高，加上塔架高度增加及风场选址评估方法的改进等，使风电机组的发电能力有相当大的增长，每平

9、方米叶轮扫过面积的年发电量从20世纪80年代初期的400500kW.h，提高到目前的lOOOkW .h以上。一台标准的600kW风力发电机，当各种条件都是最佳状态时，每年可发电约2000万kWh，即每平方米叶轮扫过面积的年发电量可达14001500kW .h。目前风电场的容量系数（即一年的实际发电量除以装机额定功率与一年8760小时的乘积）一般为0.250.35。从风电场的造价方面来看，中国风电场的造价比欧洲高，基本上是欧洲5年前的水平，平均造价为8500元千瓦左右，建设一座装机10万千瓦的风电场，成本大约在810亿元，而同样规模的火电厂成本约为5亿元，水电站为7亿元。当然，独立运行的非并网风

10、电系统，由于需要蓄电池和逆变器等，同时容量系数较小，所以发电成本比并网型机组要高。从技术层面上来看，风电发展也经历了波折的历程。1887年，美国人CharlesF. Brush建造了第一台风力发电机组，叶片多达144个。此后，人们又经过一百多年艰辛的探索，多种技术经革新和市场应用的考验，才统一成今天的上风向、水平轴、三叶片、管式塔风力机。同时，每个时期的风电技术都有自身的历史局限性。例如，早在1941年，美国的Smith -Putnam风力机就装备了液压变桨距系统，但受制于当时的技术水平，装置庞大、笨重、复杂。定桨距的Gedser风力机采用失速控制，叶尖有气动刹车装置，成为风电技术史的一座里程

11、碑。而到了今天，MW级大型风力机广泛采用大叶片，因所承受的气动推力大，对生产工艺要求很高，变桨距技术又成为技术主流。而相关领域技术上的突破，又会推动风电技术不断向前发展。如全功率逆变器曾因复杂、不可靠等因素让人望而却步，而大功率IGBT/IGCT的成熟和多电平技术的完善，使之在技术上完全成为可能。风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以到达的农村、边

12、疆来说，可作为解决生产和生活能源的一种有效途径。3风力发电机系统构成把风的动能转变成机槭能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电技术是一项多学科、可持续发展、绿色环保的综合技术。风力发电所需要的装置称为风力发电机组。风力发电机组主要由两大部分组成：风力机部分将风能转换为机械能；发电机部分将机械能转换为电能。根据风力发电机组这两大部分采用的不同结构类型及它们分别采用技术的不同特征和不同组合，风力发电机组可以有多种多样的分类。风力发电机组主要由风轮、传动与变速机构、发电机、塔架、迎风及限速机构组成。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网，向电网馈电；小型风力发电机一般将风力发电机组发出的

13、电能用储能设备储存起来（一般用蓄电池），需要时再提供给负载（可直流供电，也可用逆变器变换为交流供给用户）。如图1-25所示。图1-25 风力发电原理示意图（1）风轮风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向桨叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、质量小，目前多用玻璃钢或其他复合材料（如碳纤维）来制造。风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变发电机轴旋转，带动三相发电机发出三相交流电。（2）调向机构调向机构是用来调整

14、风力发电机的风轮叶片与空气流动方向相对位置的机构，其功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力发电机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力发电机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构（国外通称偏航系统）。小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车，在风电场中并网运行的中大型风力机则采用伺服电动机构。（3）发电机在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转

15、发电。容量在lOkW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；容量在1OOkW以上的并网运行的风力发电机组，则采用同步发电机或异步发电机。恒速同步发电机的优点是，通过励磁系统可控制发电机的电压和无功功率，发电机效率高。同步发电机机要通过同步设备的整步操作达到准同步并网（并网困难），由于风速变化大，以及同步发电机要求转速恒定，风力机必须装有良好的变桨距调节机构。恒速异步发电机结构简单，坚固，造价低。异步发电机投入系统运行时，由于是靠转差率来调节负荷，因此对机组的调节精度要求不高，不需要同步设备的整步操作，只要转速接近同步速时就可并网，且并网后不会产生

16、振荡和失步。缺点是并网时冲击电流幅值大，不能产生无功功率。（4）升速齿轮箱由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的变速齿轮箱，再加一个调速机构使转速保持稳走，然后再连接到发电机上。升速齿轮箱的作用是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。（5）塔架塔架是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般比较高，以捕捉更多的风能，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在620m范围内。塔架是风力发电

17、机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。（6）控制系统lOOkW以上的中型风力发电机组及1MW以上的大型风力发电机组皆配有由计算机或可编程控制器( PLC)组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。控制系统主要功能如下： 按预先设定的风速值（一般为34m/s）自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并入电网。借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流及齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。当风速大于最大运行速度（一般设定为25m/s）时实现自动停机。故障保

18、护。通过调制解调器与上位机连接。风力发电系统还设计有电磁制动、变桨距等多种转速控制技术及手动刹车系统，机械制动与电磁停车共同作用以保障系统安全运行。小型风力发电机不采用大型机的方法自动并网，而且使用小型风力发电机多是偏远地区。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不可能直接被负载利用，这就出现了储能环节，以便从储能设备中提取能源。一般小型风力发电机使用蓄电池储能，先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，然后用逆变器将蓄电池的直流电变换成交流电供给负载。整流器和逆变器可以做成两个装置，也可以合为一体。多年的风力发电机运行表明，风力发电机的逆变器所要着重解决的是可靠性及寿命，而

19、不是技术性能指标。风力发电机用的逆变器所面临的负载不像一般通信和计算机设备，它必须能保证常年不断地使用，又要承受风速、负载变化的冲击。目前小型风力发电机用逆变器虽已比较完善，但是在实际应用中仍然存在一些技术难题。目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件（运动部件越少越可靠已是大家的共识），一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是尾翼驱动风机的机头偏航，三是为大风限速保护而设的运动部件。前两个运动部件是不可缺少的，这也是风力发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的情况多。要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决方法。（二）风力发电机简介在风力发

20、电系统中，最主要的部件是风力机和发电机。根据风力发电机收集风能的结构形式、在空间的布置、风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。1水平轴风力发电机现代的风力机大多数是水平轴风力机，水平轴风力机主要由叶片与轮毂、机舱与塔架构成。常见的风力机有三个叶片，叶片安装在轮毂上构成风轮，风吹风轮旋转带动机舱内的发电机发电，塔架是整个风力机的支撑，如图1-26所示。 图1-26 水平轴风力发电机示意图（1）风力机的叶片数目风轮除了三叶片的还有双叶片的，甚至单叶片的。也有4叶、5叶、6叶的，在许多农用风力机中采用多叶片结构的风轮。如图1-27所示。图1-27 风力机

21、叶片水平轴风力发电机叶片如图1-28所示 图1-28 水平轴风力发电机叶片（2）风力机的对风形式风轮轴线的安装位置与水平面夹角不大于15的风力机称为水平轴风力发电机。水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。水平轴风力发电机，风轮围绕一个水平轴转动，需要有调向装置来保持风轮迎风。水平轴机组按风轮与塔架相对位置分为上风向与下风向。如图1-29所示。 图1-29 水平轴风力发电机对风形式上风（迎风）向机组风轮在塔架的前面迎风旋转。上风向机组必须有某种调向装置来保持风轮迎风。下风（顺风）向机组风轮安

22、装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮。下风向机组能够自动对准风向，从而免去了调向装置。但是由于塔架干扰了流过叶片的气流而形成塔影效应，影响了风力机 的效率，使性能下降。水平轴风力发电机可以是升力装置（即升力驱动风轮），也可以是阻力装置（即阻力驱动风轮）。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，对于小型风力发电机，一般采用尾舵；而对大型风力发电机，则利用对风敏感元件。（3）机舱内的主要设备在发电机的机舱里主要有主轴承、齿轮箱、发电机、偏航装置、风向标、控制柜等，发电机是风力机产生电能的设备，由于发电机转速高，风轮转速低，风轮需通过齿轮箱增加转速后才能使发电机以正常转速工作；控制柜控制风力机的对风、风

23、轮转速等；风向标测量风向发出信号给控制柜；偏航装置按控制柜的信号推动风力机进行对风。如图1-30所示。总之，水平轴风力发电机一般由风轮增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部 图1-30 机舱的主要设备件组成，大中型风力机还有自动控制系统。这种风力发电机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是目前最具有实际开发价值的风力发电机。水平轴风力机有传统风车、低速风力机及高速风力机3大类型。水平轴风力发电机的主要技术指标参数如下。风轮直径：通常风力机的功率越大，直径越大。叶片数目：高速发电用风力机为24片，低速风力机大于4片。叶片材料：现代风力机叶片采用高强度低密度的复合材料。风能利用系数：一般为0.150.5

24、。启动风速：一般为35m/s。停机风速：通常为1535m/s。输出功率：现代风力机一般为几百千瓦到几兆瓦。发电机：分为直流发电机和交流发电机。塔架高度。水平轴风力机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮；有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本；还有的水平轴风力机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。2垂直轴风力机垂直轴风力发电机旋转不受风向的影响，无需对风调向控制系统，结构更简单，发电效率比水平旋转（现有）提高1.8%；固定式发电机工作避免了绞线；发电机可以安装在塔架下部，操作维护方便；工作时无噪音， 是一种静音风力发电机；垂直轴风力发电机主要用于独立发电系统

25、或风光互补发电系统。如图1-31所示。图1-31 垂直轴风力发电系统原理示意图（1）垂直轴风力发电机的主要类型垂直轴风力发电机组的特征是旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行。和水平轴风力发电机组相比，发电机传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维护，而且不需要迎风装置，简化了结构。垂直轴风力发电机组可分为两个主要类型，一类称为阻力型，另一类称为升力型。阻力型风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。

26、阻力型垂直轴风力发电机杯式风速计是最简单的阻力型垂直轴风力机。Lafond风力机是受到离心式风扇和水利机械中的涡轮启发设计而成的一种阻力推进型的垂直轴风力机，它是由法国工程师Lafond发明的。典型的阻力型垂直轴风力发电机组是芬兰工程师萨窝纽斯在20世纪20年代发明的萨窝纽斯型风力发电机组，选用的是S型风轮。它由两个半圆筒形叶片组成，两圆筒的轴线相互错开一段距离。其优点是起动转矩较大,启动性能良好，但是它的转速低，风力发电机组风能利用系数低于水平轴风力发电机组，并且在运行中围绕着风轮会产生不对称气流，从而产生侧向推力。特别是对于较大型的风力发电机组，因为受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构

27、形式是比较困难的。萨窝纽斯型风力发电机组的尖速比不可能大于1，所以它的转速低，风能利用系数也低于高速型的其他垂直轴风力发电机组，缺乏市场竞争力。阻力型风力机的典型代表是S型风轮。升力型垂直轴风力发电机升力型垂直轴风力发电机组利用翼型的升力做功，最典型的是由法国工程师达里厄发明的达里厄型风力发电机组，他于1931年获得专利，但一直未被重视。20世纪后期，经加拿大国家空气动力实验室和美国Sandia实验室进行了大量的试验研究，结果认为与所有垂直轴风力发电机组相比，该机的风能利用系数最高。根据叶片的形状，达里厄风力发电机组可分为直叶片和弯叶片两种，叶片的翼形剖面多为对称翼形。弯叶片(型)主要是使叶片

28、只承受张力，不承受离心力，但其几何形状固定不变，不便采用变桨距方法控制转速，且弯叶 图1-32 垂直轴风力机片制造成本比直叶片高。直叶片一般都采用轮毂臂和拉索支撑，以防止离心力引起过大的弯曲应力，但这些支撑会产生气动阻力，降低效率。如图1-32所示，达里厄型风力发电机组有多种形式，H型，型，形，Y型和型等，其中以H型和型风力发电机组最为典型。达里厄型风力发电机组的转速较高，旋转惯性大，结构相对简单，成本较低，适合大型风力发电机组。但达里厄型风力发电机组一般都启动转矩小，启动性能差，必须靠其他动力启动，达到要求的转速才能正常运行，并且风能利用率低。这种风力发电机组大都需要具有启动机构和离合器等，

29、这样就增加了系统结构的复杂性,提高了成本。型风力机自启动性能很差，因此限制其在垂直轴风力机的应用；H型风机具有自启动能力，低速时性能良好，高风速时承受较大弯矩，较难实现大型化，在小型风力发电机中应用较为广泛，小型垂直型风力发电机也是最近几年研究的热点。（2）工作原理垂直轴风力发电机（S型）工作原理垂直轴风力发电机（S型),是一种将风能转变为机械能，再转变为电能的低转速风力发电机。利用风力发电，向蓄电池充电蓄存电能。垂直轴风力发电机采用的永磁悬浮技术两用型风机的专利技术，采用低风速启动，无噪音，堪称无声风力发电机。比同类型风力发电机效率高于10-30%。它普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不

30、正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放像、通讯设备和电动工具用电。如图1-33所示。 图1-33 S型型组合叶片式 图1-34 旋翼式（H型）H型垂直轴风力发电机的技术原理该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。如图1-34所示。（3）垂直轴风力发电机的特点：安全性。采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题

31、得到了较好的解决；噪音。采用了水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度；抗风能力。水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒45米的超强台风；回转半径。由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率；发电曲线特性。启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在58米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%30%；利用风速范围。采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.525m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设

32、备使用的经济性；刹车装置。可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无台风和超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可；运行维护。采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。（4）垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机参数对比（见表1-4）风能的利用离不开风力发电机，目前风力发电机有两种形式：1 水平轴风力发电机（大、中、小型）；2 垂直轴风力发电机（大、中、小型）。水平轴风力发电机技术发展的比较快，在世界各地人们已经很早就认识了，大型的水平轴风力发电机已经可以做到35兆瓦，应用技术也趋于成熟。小型水平轴风力发电机的额定转速一般在500-800r/min，转速高

33、，产生的噪音大，启动风速一般在3-5m/s，由于转速高，噪音大，故障频繁，容易发生危险，不适宜在有人居住或经过的地方安装。垂直轴风力发电机技术发展的较慢一些，因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比较高，尤其是对叶片和发电机的要求。近几年垂直轴风力发电机的技术发展很快，尤其小型的垂直轴风力发电机已经很成熟。小型的垂直轴风力发电机的额定转速一般在60-200r/min，转速低，产生的噪音很小（可以忽略不计），启动风速一般在1.6-4m/s。表1-4 参数对比序号性能水平轴风力发电机垂直轴风力发电机1发电效率50-60%70%以上2电磁干扰（碳刷）有无3对风转向机构有无4变速齿轮箱10KW以上有

34、无5叶片旋转空间较大较小6抗风能力弱强（可抗12-14级台风）7噪音5-60分贝0-10分贝8启动风速高（2.5-5m/s）低(1.5-3m/s)9地面投影对人影响眩晕无影响10故障率高低11维修保养复杂简单12转速高低13对鸟类影响大小14电缆绞线问题（或碳刷损坏问题）有无15发电曲线凹陷饱满综上所述，垂直轴与水平式的风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区；二、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定。由于转速的降低，大大提高了风机的稳定性，没有噪音，启动风速低等优点，使其更适合在人们居住的地方安装，提高了风力发电机的使用范

35、围。垂直轴的发电机一般采用无铁芯的永磁电机，启动力矩小，微风就能启动，特别适合在城市或者像中国南方等低风速地区使用。（三）风力发电机的功率曲线风力发电机的性能可以用功率曲线来表达。功率曲线显示了风力发电机在不同风速下（切入风速到切出风速）的输出功率。为特定地点选取合适的风力发电机，一般方法是采用风力发电机的功率曲线和该地点的风力资料以进行发电量估算。图1-35 FD-400输出功率曲线图FD-400型风力发电机凭借其超强的低速发电能力在风光互补路灯工程上展现出强大的技术优势，从输出功率曲线表可以看出在3米/秒6米/秒这个占全年风平均总量90%以上的风速段，FD400的实际输出功率非常强劲，以5

36、米/秒风速为基准（该风速是日常出现几率较大的风速），FD400在此风速的实际输出功率为44.5瓦，每天按12小时计算，则风力发电机充入蓄电池的电量为1244.5534瓦时，若使用发光亮度为4500LM的45瓦LED灯作为光源，其连续照明时间为5344511.9小时。从理论上的粗略估算不难看出FD400风力发电机在5米/秒风速时仅依靠纯风力便可保证发光亮度达4500LM的光源连续照明约12小时。如图1-35所示。风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速设而定的，由于能量与风速的三次方成正比，因此，风力发电机的功率随风速变化会很大，如图1-36所示。同样构造和风轮直径的风力机可以配不同大小的发

37、电机，因此两座同样构造和风轮直径的风力机可能有不同的额定输出功率值，这取决于它的设计是配合强风地带（配较大型发电机）或弱风地带（配较小型发电机）。图1-36 风力发电机功率曲线1切入风速与切出风速在风速很低时，风力发电机的风轮基本会保持不动，并不能有效地输出电能。当到达切入风速时(通常34m/s)，风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随着风力越来越强，输出功率会增加。当风速达到额定风速时，风力发电机会输出其额定功率，随着风速的不断升高，发电机输出功率增大，风速上升到切出风速，风力发电机输出功率超出额定功率，但在控制系统的控制下机组会停止发电。切入风速与切出风速之间的风速段称为工作风速，正常发电。

38、当风速进一步增加，达到切出风速时，风力发电机会刹车，不再输出功率，以免损坏风力发电机。2额定风速与额定输出功率风力发电机产出额定输出功率时的最低风速，称为额定风速，它是由设计人员为机组确定的一个参数。在额定风速下，风力发电机产出的功率，称为额定输出功率。电机的额定功率是指发电机在额定转速下输出的功率。由于风速不是一个稳定值，因而发电机转速会随风速而变化，因此输出功率也会随风速变化。当风速低于设计风速时，发电机的实际输出功率将达不到额定值；当风速高于设计风速时，实际输出功率将高于额定值。当然，由于风力发电机的限速和调速装置及发电机本身设计参数的限制，发电机的输出功率不会无限增大，只能在某一范围内

39、变动。故额定风速低的风力机性能较优。3.最大输出功率与安全风速最大输出功率是风力发电机组运行在额定风速以上时，发电机能够发出的最大功率值。最大输出功率高，表明风力发电机组的发电机容量具有较大的安全系数。但是最大输出功率值过高，安全性虽好，而经济性下降。安全风速是风力发电机组在保证安全的前提下，所能承受的最大风速，安全风速高，机组强度高，安全性好。普通风力发电机至少需要3m/s的风速才能启动，3.5m/s的风速才能发电，一定程度上限制了离网型小型风力发电在我国很多地区的运用。而采用全永磁悬浮风力发电机，由于使用微摩擦、启动力矩小的磁悬浮轴承，在1.5 m/s的微弱风速下就能启动，2.5m/s的风

40、速就能发电，能效提高约20%，能广泛应用于全国80%的地区。经中国机械工业风力机械产品质量监督检测中心检测，全永磁悬浮风力发电机组的启动力矩降至国家标准的1/12左右，启动风速降低了57.14%，切入风速降低23.81%，额定功率提高20.57%。为此，在相同功率要求的情况下，应首先考虑选用全永磁悬浮风力发电机。三、项目实施-小型风力发电机的认知一般把发电功率在l0kW级及以下的风力发电机称为小型风力发电机，独立运行的小型风力发电机一般应用在风力资源较丰富的地区，即年平均风速在3 m/s以上全年320m/s有效风速累计时数3000h以上；全年320m/s平均有效风能密度在l00W/m2以上。目

41、前，我国推广应用最多的小型风力发电机，其机型是水平轴高速螺旋桨式风力发电机，水平轴高速螺旋桨式风力发电机大致由以下几个部分组成：风轮、发电机、回转体、调速机构、调向机构（尾翼）、刹车机构、塔架。其基本构造原理如图1-37所示。（链接新能源教学资源库，虚拟实验室）因此，我们将重点介绍它的基本结构和特性。图1-37 水平轴高速螺旋桨式风力发电机基本构造原理1风轮水平轴风力发电机的风轮是由14个叶片（大部分为23个叶片）和轮毂组成。其功能是将风能转换为机械能，它是风力发电机从风中吸收能量的部件。叶片的结构一般有6种形式，如图1-38所示。图138 叶片结构（1）实心木制叶片。这种叶片是用优质木材，精

42、心加工而成，其表面可以包上一层玻璃纤维或其他复合材料，以防雨水和尘土对木材的侵蚀，同时可以改善叶片的性能。有些大、中型风力机使用木制叶片时，不像小型风力机上用的叶片由整块木料制作，而是用很多纵向木条胶接在一起（图1-38a）。（2）有些木制叶片的翼型后缘部分填充质地很轻的泡沫塑料，表面再包以玻璃纤维形成整体（图1-38b）。采用泡沫塑料的优点不仅可以减轻重量，而且能使翼型重心前移（重心前移至靠前缘1/4弦长处最佳），这样可以减少叶片转动时所产生的不良振动。对于大、中型风力机叶片尤为重要。（3）为了减轻叶片重量，有的叶片用一根金属管作为受力梁，以蜂窝结构，泡沫塑料、轻木或其他材料作中间填充物，在

43、其外面包上一层玻璃纤维（图1-38c）。（4）为了降低成本，有些中型风力机的叶片采用金属挤压件，或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型（图1-38d），但整个叶片无法挤压成渐缩形状，即宽度、厚度等不能变化，难以达到高效率。（5）有些小型风力机为了达到更经济的效果，叶片用管梁和具有气动外型的玻璃纤维蒙皮做成。玻璃纤维蒙皮较厚，具有一定强度，同时，在玻璃纤维蒙皮内可粘结一些泡沫材料的肋条（图1-38e）。（6）叶片用管梁、金属肋条和蒙皮做成。金属蒙皮做成气动外型，用铆钉和环氧树脂将蒙皮、肋条和管梁粘结在一起（图1-38f）。总的说来，除部分小型风力机的叶片采用木质材料外，通常风力机的叶片采用玻璃纤维或

44、高强度复合材料，而且叶片的材料也在不断改进。具有流线型断面的叶片，在一定条件下得到的升力比阻力大20多倍，是一种比较理想的叶型。2发电机（1）发电机的种类：小型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。目前，小型风力发电机用的发电机大部分是三相交流发电机。由于产生磁场的形式不同，三相交流发电机有永磁式和励磁式，它们所产生的三相交流电都要通过整流二极管整流后输出直流电。为便于安装和维修，现在很多小型风力发电机，采用交流发电机时，将整流器安装在控制器中。交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、低速发电性能好等优点。尤其是对周围无线电设备的干扰要比直流发电机小得

45、多，因此适合小型风力发电机使用。（2）发电机的构造：交流发电机主要由转子、定子、机壳和硅整流器组成。 转子：转子做成犬齿交错形的磁极。永磁式发电机的转子磁极由永久磁铁制成。励磁式发电机的转子磁极由两块低碳钢制成。在磁极内侧空腔内装有励磁线圈绕组，当通天励磁电流时，便可产生磁场。 定子：定子由铁芯和定子线圈组成。铁芯由硅钢片制成，在铁芯槽内绕有三组线圈，按星形法连接，发电机工作时线圈内便产生三相交流电。 机壳：机壳是交流发电机的外壳，由金属制成，它包括壳体和前后端盖。如果将整流器装在发电机中，装有整流器的端盖也叫整流端盖。 整流器：整流器由六个硅整流二极管组成桥式全波整流线路。它的作用是将三相交

46、流转变为直流，可以很方便地将它储存在蓄电池中。现在，很多生产厂家采用整体封装的整流桥模块，简化了电路、提高了可靠性、降低了成本。（3）发电机的功率：发电机的额定功率是指发电机在额定转速下输出的功率。由于风速不是一个稳定值，因而发电机转速会随风速而变化，因此输出功率也会随风速变化。当风速低于设计风速时，发电机的实际输出功率将达不到额定值；当风速高于设计风速时，实际输出功率将高于额定值。表1-5为FD2-100型风力发电机在不同风速下的输出功率。从表中可看出该机的额定功率100瓦是指在设计风速6米/秒时，风力发电机所输出的功率。最大输出功率可达180、190瓦。当然，由于风力发电机的限速和调速装置

47、及发电机本身设计参数的限制，发电机的输出功率不会无限增大，只能在某一范围内变动。表15 FD-100型风力发电机在不同风速下的输出功率风级2级3级4级5级风速（米/秒）2345678910输出功率（瓦）101525621001251551751903回转体回转体是小型风力发电机的重要部件之一，如图1-39所示。其作用是支撑安装发电机、风轮和尾翼调速机构等，并保证上述工作部件按照各自的工作特点随着风速、风向的变化在机架上端自由回转，小型风力发电机回转体的结构和安装方式种类各异。其中，偏心并尾式回转体目前在我国应用比较广泛， 图1-39 回转体结构示意图其结构要素可归纳如下。（1）风轮的仰角：为了提高风轮的工作性能，在回转体上平面与水平面间设计有510的夹角。发电机安装在回转体上平面，这样发电机轴（