风力发电技术

第3章风力发电机1风力发电技术书名：风力发电技术书号：978-7-111-47413-5作者：侯雪张润华出版社：机械工业出版社2风力发电机是将风能转换为机械能的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的发动机。风力发电的原理是利用风带动叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电原理空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。3.1风力发电的基本原理341．独立运行2．并网运行3．风力发电场4．风力-柴油发电系统联合运行5．风力发电-太阳能电池发电联合运行6．风力-生物质能-柴油联合发电系统3.2风力发电系统的种类56风电的突出优点是环境效益好，不排放任何有害气体和废弃物。风电场虽然占了大片土地，但是风力发电机基础使用的面积很小，不影响农田和牧场的正常生产。多风的地方往往是荒滩或者山地，建设风电场的同时也开发了旅游资源。3.3风力发电的特点7风力发电机组由两大部分组成：其一是风力机,它的功能是将风能转换为机械能;其二是发电机,它的功能是将机械能转换为电能。一、风力机的种类风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮,依风轮的结构及其在气流中的位置大体可分为两大类:一类为水平轴风力机一类为垂直轴风力机3.4风力机的型式8（一）水平轴风力机水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转,工作时,风轮的旋转平面与风向垂直,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φ(安装角)。风轮叶片数目：用于风力发电的风力机一般叶片数取1～4(大多为2片或3片),而用于风力提水的风力机一般取叶片数12～24。叶片数多的风力机称为低速风力机,它在低速运行时,风能利用系数较高、转矩较大，起动力矩大、起动风速低,适用于提水。叶片数少的风力机常称为高速风力机,它在高速运行时风能利用系数较高,但起动风速较高。由于其叶片数很少,在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多,适用于发电。9水平轴风力机

a)高速风力机b)低速风力机101112优点：下风向风力机能够自动对准风向,从而免除了调向装置。

缺点：容易造成“塔影”效应，降低风能利用率下风向风力机一般用于小型风力机13水平轴风力机可分为升力型和阻力型两类升力型旋转速度快阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力机14（二）垂直轴风力机旋转主轴垂直于地面优点（1）可以接受来自任何方向的风,无需对风，不需要调向装置,结构设计简化。（2）齿轮箱和发电机可以安装在地面上,检修维护方便。15垂直轴风力机可分为两个主要类别：一类是利用空气动力的阻力作功,典型的结构是S型风轮。S型风轮为阻力型风力机，有两个圆筒叶片构成S型凹面和凸面叶片对空气流阻力之差推动风轮旋转。优点：叶片设计简单；不受风向限制；启动力矩大；噪声小；发电机可置于风轮下或地面，安装维护简单。缺点：由于围绕着风轮产生不对称气流,从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极限应力的限制,

采用这种结构形式是比较困难的。S型风轮16另一类是利用翼型的升力作功,最典型的是达里厄型风力机。是水平轴风力机的主要竞争者。优点：装置简单，成本也比较便宜，缺点：启动性能差

达里厄型风力机1718风力机的类型小结1、根据风力机旋转主轴的布置方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为水平轴风力机和垂直轴式风力机。2、根据桨叶受力方式不同，可分为升力型风力机和阻力型风力机。3、根据桨叶数量不同，可分为单叶片﹑双叶片﹑三叶片和多叶片型风力机；4、根据风轮设置位置不同，可分为上风向风力机和下风向风力机5、根据机械传动方式不同，可分为有齿轮箱型风力机和无齿轮箱的直驱型风力机6、根据桨叶是否可调节，可分为定桨距（失速型）风力机和变桨距风力机197、根据风轮转速是否恒定，可分为：恒速风力发电机组和变速风力发电机组8、根据风力发电机组的发电机类型不同，可分为异步发电机型和同步发电机型、双馈发电机等9、根据风力发电机的输出端电压高低不同，可分为高压风力发电机和低压风力发电机10、根据风力机的额定功率不同，可分为：大型、中型、小型、微型风力机10kW以下风力机为微型风力机，10kW至100kW的为小型风力机，100kW至1000kW功率的为中型风力机，1000kW以上的MW级风力机为大型风力机。20

水平轴风力发电机组组成：风力机部分：主要由风轮、风轮轴、低速轴联轴器、变桨距机构、塔架、偏航装置等组成。发电机部分：主要由增速器、高速轴联轴器、制动器、发电机、变流器等组成。2122232425262728293031323334351．风电机组的基本结构水平轴式风力发电装置36（1）按装机容量划分（2）按功率调节方式划分（3）按传动形式划分（4）按发电机转速变化划分（5）按照风轮与塔架相对位置划分2．水平轴风力机的类型37（1）风轮扫掠面积风轮扫掠面积是指叶片旋转时叶尖形成的圆的面积，根据贝茨理论，风轮从风中获取的功率为

（2）轮毂高度（3）叶尖速比

（4）叶片数3．风电机组主要参数38（5）实度风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。39额定风速是指风电机组达到额定功率时对应的风速，额定风速的大小直接影响到机组的总体构成和成本切入风速指风电机组开始并网发电的最低风速，决定了机组在低风速条件下的性能。切出风速则主要用于极端风速条件下对机组进行停机保护。4．额定风速、切入风速和切出风速40

风轮旋转轴垂直于地面或者来流方向的风力发电机称之为垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机的特点1）安全性。2）噪音。3）抗风能力。4）回转半径。5）发电曲线特性。6）利用风速范围。7）刹车装置。8）运行维护。3.4.2垂直轴式风力机411．升力型垂直轴风力机（1）达里厄风力机（2）叶片可摆动的垂直轴风力机3．垂直轴风力发电机的分类42(1)屏障平板式风力机(2)平板摆转式风力机(3)风杯式阻力差风力机(4)S式阻力差风力机(5)萨渥纽斯(Savonius)风力机(6)塞内加尔式风力机2．阻力型垂直轴风力机43为解决达里厄风力机不能自起动的缺点，在在一些小型风力机转轴上加装阻力式风叶帮助起动，加装双S式风轮是简单实用的方案，双S式风轮结构简单、紧固，任何风向都可起动旋转。3．升力－阻力结合式垂直轴风力机44（1）设计方法（2）风能利用率（3）起动风速（4）结构特点（5）环保问题4．垂直轴风力机与水平轴风力机的比较45第二节风力机的结构组成一、风轮风轮一般由2～3个叶片和轮毂所组成,其功能是将风能转换为机械能。1、叶片：叶片的构造如图所示。小型风力机的常用整块优质木材加工制成,表面涂上保护漆,其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。有的采用玻璃纤维或其它复合材料蒙皮则效果更好。46风力机的叶片构造

目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料（GRP)

，其基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小。聚酯材料较便宜，它在固化时收缩大，在叶片的联接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形在金属材料与玻璃钢之间可能许生裂纹。472、轮毂轮毂是风轮的枢纽,也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递到传动系统,再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距的所在。在设计中应保证足够强度,并力求结构简单。第三章风力机的基本理论与结构

第二节风力机的结构组成三通形轮毂三角形轮毂48二、调速或限速装置作用：保证风力机不论风速如何变化转速总保持恒定或不超过某一限定值。类型：大致有三类:1、使风轮偏离主风向,偏向机构2、利用气动阻力,叶尖扰流器3、改变叶片的桨距角，变桨距机构。第三章风力机的基本理论与结构

第二节风力机的结构组成49(1)偏离主风向超速保护（如图）小型风力机叶片一般固定在轮毂上。为了避免在超过设计风速的强风时风轮超速甚至叶片被吹毁,常采用使风轮水平或垂直旋转的办法,以便偏离风向,达到超速保护的目的。本装置的关键是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离,从而产生一个偏心距。相对的一侧安装一副弹簧,一端系在与风轮构成一体的偏转体上,一端固定在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力,使在设计风速内风轮偏转力矩小于或等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时,风轮偏转力矩大于弹簧力矩,使风轮向偏心距一侧水平或垂直旋转,直到风轮受力力矩与弹簧力矩相平衡。在遇到强风时,可使风轮转到与风向相平行,以达到停转。第三章风力机的基本理论与结构

第二节风力机的结构组成50偏离主风向超速保护51(2)利用气动阻力制动叶尖扰流器是将叶片端部(约为叶片总面积的十分之一)设计成可绕径向轴转动的活动部件。正常运行时叶尖与其它部分方向一致,并对输出扭矩起重要作用。当风轮超速时,叶尖可绕控制轴转60°或90°,从而产生空气阻力,对风轮起制动作用，叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机构来完成,也可由伺服电机驱动。第三章风力机的基本理论与结构

第二节风力机的