风力发电机结构和原理

杜容熠

太阳辐射到地球的热能中有约2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW（10亿亿千瓦）。其中可被开发利用的风能理论值约有3.5×109MW（3.5万亿千瓦），比世界上可利用的水能大10倍。

把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有叶轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，叶轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为叶轮轴的机械能，发电机在叶轮轴的带动下旋转发电。

1．风力发电原理：

1.1 风能的概念：

风能：空气因为太阳能辐射，造成压力差，而发生运动的动能称为“风能”,风能的计算公式为：

E＝0.5ρsV³

式中: E－风能（W） ρ－空气密度（kg/m3） S－气流截面积（m2) V－风速（m/s)

风能密度（W）：单位时间内通过单位面积的风能，W＝0.5ρV³。

有效风能密度：指风机可利用的风速范围内的风能密度（对应的风速范围大约是3～25m/s)。

1.2 风能发电的动力学原理

风力发电采用空气动力学原理，并非风推动叶轮叶片，而是风吹过叶片形成叶片正反面的压力差 ，这种压力差会产升力 ，令叶轮旋转并不断横切风流。该原理类似于飞机上升时的原理，空气通过机翼，产生向上的升力和向前的阻力。

如果将一块薄板放在气流中，则在沿气流方向将产生一正面阻力FD和一垂直于气流方向的升力FL其值分别由下式确定L：

FD=0.5CdρSV2 FL=0.5CLρSV2

式中：CD－阻力系数

C－升力系数 L S－薄板的面积

ρ－空气的密度阻力型叶轮 V －气流速度

如果把薄片当作叶片，将其装在轮毂上组成叶轮，那么风的作用力旋转中心线就会使叶轮转动。由作用于叶片上的阻力FD而使其转动的叶轮， 称为阻力型叶轮；而由升力FL而使其转动的叶轮，称为升力型叶轮。目前为止现代风力机绝大多数采用升力型叶轮。

2．风力发电机的组成部分及特点：

2.1 叶轮

叶轮是将风能转化为动能的机构，风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机通常有２片或３片叶片，叶尖速度50～70ｍ／ｓ，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低 2～3％效率。对于外形很均衡的叶片，叶片少的叶轮转速就要快些，这样就会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些。

叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝构成的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于５米，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。世界上大多数大型风力机的叶片是由GRP制成的。

2.2 传动装置

风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节。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(特别是小型风力机) 设计成无齿轮箱的,风轮直接连接到发电机。

齿轮箱是传动装置的主要部件。齿轮箱主要功用是将叶轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常叶轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。如将很低的叶轮转速（600千瓦的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分），使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。根据机组的总体布置要求，有时将与叶轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构，为了增加机组的制动能力。

2.3 刹车系统

风力发电制动分两部分，气动制动与机械制动。风的速度很不稳定，在大风的作用下，叶轮会越转越快，系统就可能被吹跨，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距叶轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。

2.4 偏航系统

偏航系统可以使叶轮扫掠面积总是垂直于主风向。

中小型风机可用舵轮作为对风装置，其工作原理大致如下：当风向变化时，位于风轮后面两舵轮（其旋转平面与风轮旋转平面相垂直）旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。

大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统一般包括感应风向的风向标，偏航电机，偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等。其工作原理如下：风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

2.5 控制系统

控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。就兆瓦级风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。