第1章 风力机原理和结构

1.1 风力机的工作原理

风力发电是利用风能来发电，风力机是将风能转化为电能的机械。水平轴风力机组的主要组成结构如图1-1所示。

图1-1 水平轴风力发电机组的主要组成结构

由图1-1可以看出目前广泛使用的水平轴风力发电机组主要由叶轮、调速或限速装置、偏航系统、传动机构、发电机系统和塔架等组成。

叶轮是现代大型风力机最主要的部件，由轮毂及均匀分布安装在轮毂上的若干叶片所组成。叶片具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使叶轮旋转，将风能转换成机械能。小型风力机的叶片部分大多采用木质材料制成，中、大型风力机的叶片都采用玻璃纤维或高强度复合材料制成。叶片受到的风能作用力，通过轮毂传递到传动系统，进而传递到发电机。轮毂是叶轮的枢纽，除了固定叶片外，还是叶片与主轴的连接件，此外，控制叶片变桨距的执行机构也安装在轮毂中，因此要求轮毂能够承受较大载荷。

不像小型风力发电机，大型风力机的叶轮转动相当慢。比较简单的风力机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度：在弱风下用低速，在强风下用高速。这些定速风力机的感应式异步发电机能够直接发出与电网频率相同的交流电。目前，比较新型的设计一般是可变速的。利用可变速操作，叶轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪声更低。因此，变速的风力机设计比起定速风力机，越来越受欢迎。

调速或限速装置从工作原理上可以分为三类：一类是使叶轮偏离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。调速或限速装置是为了使叶轮转速始终保持在恒定转速或者不超过某一特定值，不受风速的影响。当风速过高时，该装置可以用来限制功率，并减少作用在叶片上的力，既保证了有效的捕获风能，产生质量较好的电能，又在一定程度上避免了高风速对风机的破坏性影响。

大型风力发电机组大都采用了风向跟踪系统，即偏航系统，使叶轮能够根据风向跟踪系统的指示对准主风向。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每个风向都有一个相应的脉冲输出信号，偏航系统软件根据脉冲信号确定偏航风向和偏航角度，然后将放大后的偏航信号传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。

风力机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。但并不是所有的风力机都包含这些部件。叶轮捕获风能以后，经过齿轮箱增速以后达到发电机所需转速。但是有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴，也有一些风力机设计成无齿轮箱的，叶轮直接连接到发电机上。

发电机实现了机械能到电能的转换。发电机类型既可选择恒速、变速，又可选择同步、异步，需要考虑多方面因素，每种发电机都有其优缺点。

风机塔架承受的主要载荷有风力机向下的重力载荷、由于风压的原因引起的塔架向风的下风向弯曲的载荷以及风力机运行中的动载荷，因此它的刚度和风力机所受的载荷密切相关。塔架的重要性可以说是非常重要的，对于塔架的结构和刚度有非常严格的要求。大型风力发电机组的塔架基本上是锥形圆柱钢塔架。

设于塔底的变压器（或者有些设于机舱内）可提升发电机的电压到配电网电压。所有风力机的功率输出是随着风力而变的。强风下最常见的两种限制功率输出的方法（从而限制叶轮所承受压力）是失速调节和桨距角调节。使用失速调节的风力机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令叶轮失速。当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令叶轮刹车。使用桨距角调节的风力机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片攻角随着风速不同而改变，从而改变叶轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片顺桨即叶片转动至与来流方向接近平行，从而令叶轮刹车。叶片中嵌入了避雷条，当叶片遭到雷击时，可将闪电中的电流引导到地下去。

风力机的运行方式主要有三类。

（1）离网运行。风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能，直接或通过逆变器转换成交流电供应用户使用。这种方式一般用于边远农村、牧区、海岛、边防哨所等电网达不到的地区，解决居民的基本用电问题。发电机单机容量一般为几百瓦到几千瓦。

（2）联合互补运行。为了弥补风能随机性大且不可控的缺点，提高稳定、持续供电的能力，将风力发电机组同其他发电方式联合互补运行，形成了风力-柴油互补运行、风力-太阳能互补运行和风力-柴油-太阳能互补运行等多种方式，大大提高了供电的可靠性及稳定性，减少了储能装置的容量，有效地降低了运行成本。

（3）并网运行。风力机与电网相连，通过电网输送电能，既可以单独并网，也可以由多台，甚至成百上千台组成风力发电场，弥补了风能能量密度低的弱点，降低了设备投资和发电成本，成为大规模开发利用风能的最经济有效方式。