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小型风力发电机动力结构设计

第三章 风力发电机组的设计方案确定

3.1风力发电机的结构

风力发电机从结构上可分为两类。其—是水平轴风力机，叶片安装在水平轴上，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机械。水平轴风力机分多叶片低速风力机和1-3个叶片的高速风力机。如图3-1所示。其二是垂直轴风力机，风轮轴是垂直布置的，叶片带动风轮轴转动再驱动所要驱动的机械。如图3-2所示。

风力发电机就是利用风力机驱动的发电机组。

图3-1 水平轴风力机叶片形式

(a)单叶片；(b)双叶片；(c)三叶片；(d)多叶片；(e)上风向-下风向布置的两组叶片；

在20世纪末，风力发电机得到了不断地完善、发展，技术成熟，已经达到微机自控无人现场值守的程度。工业发达国家的风力发电机已达到商品化生产。

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(f) 上风向布置的两组叶片；(5)水平轴索旺尼斯型叶片

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图3-2 垂直轴风力机叶片形式 (a) 垂直轴索旺尼斯型叶片；(b)一般型叶片

(c)垂直轴杯型（d）达里厄风轮

3.2风力发电机的分类

3.2.1．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100.0KW。

3.2.2．按风轮轴安装形式分类

风力发电机按风轮轴不同可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种。

3.2.2.1水平轴风力发电机的结构

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水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低、需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。

水平轴风力发电机主要由风轮、风轮轴、低速联轴器、增速器、高速轴联轴器、发电机、塔架、调速装置、调向装置、制动器等结构组成。

典型结构见图3-3。

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图3-3 美国MOD-0型风力发电机结构

1-左调向电机；2-左调向减速器；3-右调向电机；4-右调向减速器；5-调向传动轴；6-发电机；7-高速轴；8-高速轴结合器；9-低速制动器；10-低速轴；11-调速装置；12-增速器；

13-调向制动盘；14-调向制动器；15-叶片

1、风轮

叶片安装在轮鼓上称作风轮，它包括叶片、轮鼓等。风轮是风力发电机接受风能的部件。现代的风力发电机的叶片数，常为1-4枚叶片，常用的是2枚或3枚叶片。出于叶片是风力发电机接受风能的部件，所以叶片的扭曲、翼型的各种参数及叶片结构都直接影响叶片接受风能的效率和叶片的寿命。

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2、增速器

由于风轮的转速低而发电机转速高，为匹配发电机，要在低速的风轮轴与高速的发电机轴之间接一个增速器。增速器就是一个使转速提高的变速器。增速器的增速比i是发电机额定转数nD与风轮额定转数n的比，即i＝nD／n。

3、联轴器

增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联轴器。

4、制动器

制动器是使风力发电机停止运转的装置，也称刹车。制动器有手制动器、电磁制动器和液压制动器。当采用电磁制动器时，需有外电源；当采用液压制动器时，除需外电源外，还需泵站、电磁阀、液压油缸及管路等。

5、发电机

叶片接受风能而转动最终传给发电机，发电机是将风能最终转变成电能的设备。 风力发电机上常用的发电机有四种：

(1)直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。直流电压12，24，36V等。中型风力发电机也有用直流发电机的。

(2)永磁发电机，常用在小型风力发电机上，电压一般为115，127V等，有直流也有交流。水磁交流发电机在中、大型风力发电机上尚未得到使用，主要有些技术问题还未解 决。现在我国已经发明了交流电压440／240V的高效永磁交流发电机，可以做成多级低转速。特别适合风力发电机。

(3)同步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场同步旋转，同步转速nD＝60f/p。 (4)异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低。当并网时转速应提高。 6、塔架

塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式。同时塔架又分为硬塔，柔塔，甚柔塔。硬塔的固有频率大于kn，其k为叶片数．n为风轮转数；柔塔的固有频率在kn和n之间；甚柔塔的固有频率小于n。

为防止钢制塔架生锈，往往对钢制塔架热镀锌。

7、调速装置

风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转在所需要的额定转速下的装置称为调速装置。

当风速超过停机风速时，调速装置会使风力发电机停机。调速装置只在额定风速以上时调速。

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目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种。

(1) 可变桨距调速装置。

(2) 定桨距叶尖失速控制调速装置。 (3) 离心飞球调速装置。 (4) 空气动力调速装置。 (5) 扭头、仰头调速装量。

8、调向装置

调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。风力发电机的调向有很多种形式，总的说来有五种形式：尾舱调向、侧风轮调向、下风向调向及调向电机（伺服电机)调向和液压驱动调向。

3.2.2.2垂直轴风力发电机的结构

现代垂直轴风力发电机尚未商品化生产。主要原因是效率低，需启动设备。但垂直轴风力发电机优点很多，增速器、联轴器、制动器、发电机都可以安装在地面上，安装、维修都非常方便，不用调向，垂直轴风力发电机主要有达里厄垂直轴风力发电机和旋翼式垂直轴风力发电机，如图3-4及图3-5。

达里厄垂直轴风力发电机主要由叶片、垂直轴、增速器、联轴器、制动器、发电机、塔架及拉线等组成。

旋翼垂直轴风力发电机由—上支撑、叶片、钢架、翼片致动器、下支撑、塔架、增速器、发电机等组成。

垂直轴风力发电机有很多水平轴风力发电机所不具备的优点，但是也存在一些难以解决的技术难题。比如达里厄垂直轴风力发电机叶片变桨距问题，需要启动设备问题。旋翼式垂直轴风力发电机叶片在风向不同位置变换叶片迎角问题，而现在仅能通过翼片致动器变换叶片是否迎风，但不能随风速变换叶片迎角。旋翼式叶片与达里厄叶片接受风能的效率都比水平轴叶片接受风能的效率低，这主要原因在于叶片不能按风速而变换叶片迎角。达里厄叶片在转动中叶片各位置距转动中心的半径不同，难以做到按不同风速变换叶片迎角和叶片弦长。这些问题还有待研究解决。

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