第二节 离网微、小型风力发电机组的总体结构布局
风力发电机组经历了近百年的研究、试验、总结、实践、改进和发展，至20世纪80年代，水平轴风力发电机组已经技术成熟并商品化生产。水平轴风力发电机组的结构布局在实践中不断地改进、优化，已形成了传统的总体结构布局方式。国内外风力发电机组制造商所生产的风力发电机组在总体结构布局上大同小异。
垂直轴风力发电机组仍处在研究、试验和发展阶段，尚存在一些技术问题待解决，尚未达到商品化生产的水平，其总体结构布局也尚未达到统一的形式。
离网微、小型风力发电机组应用广泛，水平轴的总体结构布局基本是由塔架支撑的风轮和发电机及尾舵的结构布局。叶片安装在轮毂上，属定桨距风轮；轮毂直接安装在多极永磁发电机的轴上，属直驱式；调向和调速由尾舵来实现。总的说来，水平轴离网微、小型风力发电机组属于简易型风力发电机组。
21世纪以前，人们尝试了很多种水平轴微、小型风力发电机组的调速、调向机构；主要有扭头调速尾舵调向机构，如图6-1所示；抬头调速尾舵调向机构，如图6-2所示；空气动力调速尾舵调向等。
经多年实践、筛选、优化，进入21世纪，水平轴离网微、小型风力发电机组基本上都采用了定桨距直驱式尾舵调向扭头调速这种总体结构布局。
（1）水平轴离网微、小型风力发电机组扭头调速尾舵调向结构布局
额定风速内，在扭头调速弹簧的拉力矩的作用下风轮旋转的反转矩与尾舵对其转轴的力矩相平衡，风轮在尾舵的控制下绕着固定在塔架上的活动铰转动对准风向。当风速达到额定风速以上时，风轮转速加快，其反转矩增大，而尾舵依然对准风向，则风轮与发电机会拉长扭头调速弹簧朝着风轮旋转的方向扭转一定角度以减小风轮接受风能的面积，达到调速的目的。当风速减小时，扭头调速弹簧又将风轮拉回，向其旋转方向相反的方向转动一定角度，从而达到调速的目的。
图6-1 扭头调速尾舵调向
1—叶片 2—发电机 3—固定在塔架上的转动铰 4—扭头调速弹簧 5—调向尾舵 6—尾舵梁 7—限位座 8—尾舵转轴
图6-2 抬头调速尾舵调向
1—叶片 2—发电机 3—固定在塔架上的抬头调速的活动铰 4—抬头调速弹簧 5—调向尾舵 6—尾舵梁 7—塔架 8—拉线 9—水平限位座
抬头调速的结构布局与扭头调速相近，只不过是在额定风速以上时，风轮抬头以减小风轮接受风能的面积达到调速的目的。现在水平轴离网风力发电机组很少采用抬头调速这种结构布局。
扭头调速是靠弹簧的拉力矩保持风力发电机组的反转矩和尾舵对其转轴力矩的，因此使风轮摆动频繁，当弹簧失效后就不起扭头调速作用。调速弹簧可用拉力弹簧、压缩弹簧或卷弹簧，作用都是一样的。
笔者在20世纪末设计并制造了一台发电机为8极11kW的永磁发电机风力发电机组，其尾舵为减摇尾舵，这种尾舵不论向哪个方向运动都会受到空气的很大阻力，减小了风轮的摆动，如图6-3所示。
图3-6 减摆尾舵
1—水磁发电机 2—联轴器 3-带式制动器 4—1:5增速器 5—风轮轴承座及风轮轴 6—轮毂 7—叶片 8—调向轮盘 9—桁架式塔架 10—尾舵，减摆形尾舵 11—尾舵调速弹簧
（2）尾舵调向扭头调速的其他结构布局
图6-4为一个不用弹簧的扭头调速结构，它的尾舵板不是垂直于地面的，而是与垂直地面的方向成一定角度，这样尾舵板在水平面上有一个分力F1，正是这个水平分力对尾舵转轴的力矩来平衡风轮反转矩。这种扭头调速的反回力矩是固定的，其大小ML=F1L，因此只适于微型风力发电机组。
图6-4 与垂直方向成α角的尾舵
1—尾舵
（3）用步进电动机控制尾舵的扭头调速
东北师大张雪明教授带领他的博士生设计制造了1台直驱22kW的44极永磁发电机的尾舵调向调速的风力发电机组。这台风力发电机组用发电机的电流频率为信息，用单片机控制步进电动机来驱动尾舵板转动角度达到扭头调速的目的，这项创新取得了很好的效果。
这台风力发电机组的总体结构布局为：直径20m的风轮直接驱动22kW 44极的永磁发电机，发电机尾部连接尾舵梁和尾舵，步进电动机就安装在尾舵梁与尾舵的连接处。整个风力发电机组由转盘安装在塔架上。
在额定风速时，尾舵使风轮对准风向，发电机输出功率。当风速超过额定风速时，发电机电流频率超过51Hz，单片机控制步进电动机将尾舵向风轮旋转方向转一定角度，尾舵对准风向而风轮却偏离风向一定角度，使风轮减小接受风能的面积，保持发电机电流频率不大于51Hz。当风速再大时，发电机电流频率又大于51Hz，单片机控制步进电动机再向风轮转动方向转一定角度，使风轮再偏离风向一定角度……，从而保证额定功率输出和恒定电流频率；反之亦然。用单片机控制步进电动机驱动风力发电机组尾舵改变角度的扭头调速如图6-5所示。
图6-5 用单片机控制步进电动机驱动尾舵改变角度的扭头调速
1—叶片 2—多极永磁发电机 3—尾舵梁 4—尾舵 5—步进电动机及控制箱 6—驱动弹性拉杆 7—塔架 8—活动铰 9—活动铰