第四讲 风力发电机的结构与分类.doc

第四讲 风力发电机的结构与分类21 风力发电机的分类风力发电机分类按照不同的标准有不同的分类方法：（1） 按风力机的功率分类，可分为：微型风力发电机，其额定功率为50100W。小型风力发电机，其额定功率为110KW。中型风力发电机，其额定功率为10100KW。大型风力发电机，其额定功率为100KW以上。（2） 按风轮轴安装形式分类，可分为：水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机。本次论文在进行仿真时采用了600KW水平轴风力发电机(主要参数来自于美国的BONUS 600KW风力机，具体参数见附录一)，因此在下一节我将具体介绍大型水平轴风力发电机的构造。2.2 水平轴风力发电机的结构水平轴风力发电机是目前世界各国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，虽然垂直轴风力发电机一些优点但垂直轴风力发电机效率低、需重启设备。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、制动器等组成。（1）风轮叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂等。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14枚叶片，常用的是2枚或3枚叶片。由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。叶片尖端在风轮转动中所形成圆的直径称风轮直径，亦称叶片直径。叶片又可分为变桨距叶片和固定桨距叶尖可变桨距或叶尖有阻尼器两种叶片，其作用都是为了调速。从叶片结构上又可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、钢制叶片、钢纵梁玻璃钢叶片、玻璃钢叶片等。由于叶片在转动中，距转动中心不同半径的线速度也不同，接受风能也不同。为了叶片各部接受风能大体一致，叶片往往做成从叶根至叶尖是渐缩的，并且扭转一定角度，这种叶片称扭曲叶片。现代大、中型风力发电机都采用扭曲叶片。叶片安装在轮毂上，有些调速装置就安装在轮毂内。如图(2-4)(b)。（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=nDn。（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。如图(2-4)(a)中4和9。（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。风力发电机土常用的发电机有四种：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。永磁交流发电机在中、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440240V的高效永磁交流发电机，可以做成多极低转速，特别适合风力发电机。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=60fp。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。塔架有型钢桁架结构的，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，其中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。目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种。可变桨距调速装置。变桨距调速装置是现代风力掣电机主要调速方式之一。在图2-4中，微机发出指令让叶片增大安装角以减少由于风速增大使叶片转速加快的趋势，电磁阀打开，变桨距液压油缸动作，拉动叶片向叶片安装角增大的方向转动一定角度使叶片接受风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小时，微机指令的动作与上述相反，减小叶片的安装角以使叶片接受风能增加，维持风轮转速在额定转速的范围内。变桨距调速装置也有多种形式，上述为液压变桨距调速装置，变桨距调速装置还有一种由调速电机来驱动的。这种由调速电机驱动的变桨距调速也是当代风力发电机主要的调速方式之一。定桨距叶尖失速控制调速装置。定桨距叶尖失速控制调速装置是当代风力发电机常采用的主要调速方式之一。定桨距就是叶片的安装角是固定的，也就是叶片固定在轮毂上不能转动。在叶尖上有一段叶片是可以转动的，在额定风速下叶尖上可动的一段叶片与叶片保持一致，当风速超过额定风速时，可动叶尖在液压或机械动力的驱动下，转一定角度，使可动叶尖失速对风形成阻力，风愈大则转的角度愈大对风的阻力也愈大，从而保持叶片运转在额定风速下。当风速减小时上面的过程正好相反。当风速达到停机风速时，可动叶尖对风轮运转完全形成阻力，致使风轮停止转动，也称空气动力制动或刹车。离心飞球调速装置。离心飞球调速装置是风力发电机最早的变桨距调速装置。现代风力发电已很少采用。离心飞球调速装置最典型结构是绞接在轮毂上的飞球随风轮转动而转动，在额定风速下，飞球的离心力与弹簧压力相平衡；当风速超过额定风速时，风轮转速加快，飞球离心力增大，克服弹簧压力向外伸开，飞球另一端拐轴就驱动大齿轮转功。并驱动与其啮合的小齿轮转动，而小齿轮轴正是叶片可变桨距的轴，因此叶片向其安装角增大的方向转动，使叶片向减少迎风面，保持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小 时，飞球调速过程恰好相反。离心飞球调速装置还有很多种结构形式，可以控制整个叶片变桨距，也可以利用飞球离心力控制叶片锥角以改变叶片迎风面来调速。空气动力调速装置。空气动力调速装置的机理是在叶尖上或叶片中部安装一块阻尼板，在额定风速下，阻尼板随风轮运转的离心力与弹簧的拉力平衡并保持与风轮转动中受空气阻力最小的位置。当风速超过额定风速时，阻尼板由于离心力的作用而张开并对空气形成阻力使风轮转速保持在额定转速的范围内。空气动力调速形式有很多。定桨距叫 尖失速控制调速也属空气动力调速之一。图2-5是Wlnd-Charger空气动力调速装置，它是用两个圆弧板铰接在与叫片相垂直的短臂上，短臂与轮毂焊在一起。在额定风速下向圆弧板的离心力与弹簧的拉力平衡并保持与风轮一起转动叫对空气阻力最小的位置。当风速超过额定风速时，风轮转速增加，圆弧板离心力增大，使其克服弹簧拉力向外张开造成空气阻力使风轮转速保持在额定转速的范围内。当风速减小时，圆弧板离心力减小，靠弹簧的拉力的圆弧板以拉了回来，减小空气阻力，使风轮机在额定转速范围内。扭头、仰头调速装置。扭头、调速装置就是把风轮和机舱与转盘偏心布置，当风速超过额定风速时风时风轮和机舱能绕转盘偏离风向一定角度从而减小叶片迎风面积以达到调速的目得。超过额定风速愈大则风轮偏离风向愈大，使风轮保持在额定转速范围内。图26是扭头调速，图27是仰头调速。当风速超过停机风速时，风轮顺桨，机舱与风向垂直，停机。牵拉在尾舵梁上的弹簧在风轮顺桨时自锁，开机时需人工调回。扭头调速是沿用最久的行之有效的调速方式之一，其结构简单，易于制造，成本低，至今还用在中型20kW以下及微小型风力发电机的调速上。仰头调速装置常用在微小型风力发电机的调速上。仰头调速装置也是将风轮和机舱与塔架的铰接轴偏心布置，当风轮在额定风速下运转时弹簧拉力与风轮机舱对铰接轴的力矩相平衡，当风速大于额定风速时风轮克服弹簧拉力而仰头调速。仰头调速机理与扭头调速机理相同、仅是方向不同。（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。尾舵调向。尾舵调向结构简单，调向可靠，至今还用在中型20kW以下和微小型风力发电机的调向上。尾舵由尾舵梁固定，尾舵梁另一端固定在机舵上，尾舱板一直顺着风向所以使风轮也对准风向，这就是尾舵调向，如图28所示。下风向调向。下风向调向就是将风力发电机的风轮置于下风向，置于下风向的风轮能自动调向，不必另行设置调向装置。下风向调向如图2-9所示。这种调向装置常用在大中型风力发电机的调向上。由于下风向风轮调向易使风轮随风向变化而摆动，所以需加阻尼器以减少风轮的摆动。下风向风轮调向的缺点是当叶片转到塔架下风向的紊流区时产生振动，易使叶片梁与轮毂的连接处产生疲劳断裂。同时叶片在塔架的紊流区内不能正面接受风能。圆柱型、圆锥管型塔架下风向紊流比桁架塔架下风向紊流小。侧风轮调向。侧风轮调向常 用于大中型风力发电机调向。侧风轮调向如图2-10和图2-11所示。它在风力发电机机舱的后边的侧向安装一个或两个多叶片风轮。当风轮未对准风向时，侧风轮转动，侧风轮轴上的蚓杆与固定在塔架上的蜗轮相啮合，当侧风轮转动时，驱动机舱和风轮对准风向达到调向的目的。当风轮和机舱对准风向后，侧风轮与风向平行，停止转动。一侧侧风轮调向对于安装侧风轮一侧的风向调向敏感，而对另一侧的风的调向不灵敏，这样往往采用机舱两侧都安装风轮的调向装置，使主风轮左右调向都很灵敏。侧风轮调向往往使主风轮摆动，也应加阻尼器使侧风轮调向平稳和不摆动。当侧风轮用蜗轮蜗杆时，由于蜗杆自锁可不用阻尼器。现代的大中型风力发电机调向已很少采用侧风轮调向装置，而被微机控制的调向电机或伺服电机所取代。调向电机或伺服电机调向。图2-12是用风向标、测速发电机通过电子电路实现伺服电机自动调向的电路原理图。 I风向标带动导电杆绕水平环形滑动可变电阻器的中心转动，可变电阻器固定在机舱上。导电杆与变阻器之间的电压通过电阻R加到电子放大器A上。测速发电机的输出电压与风轮的转速成正比，馈人由电阻R、整流器V和电池搬(两者反向接入)所组成的电路。只要风轮的转速比额定风速时的转速低，测速发电机输出电压就比E2低，此时电机没有电流。放大器输入端的电压就是M与P两点之间的电位差，放大器输出使伺服电机MD启动并运转带动减速器去驱动机舱转动，使风轮对准风向。当风速超过额定风速时，风轮转速加快，测速发电机DT所发出电压使电阻R上的电压下降，电子放大器输出，使调向伺服电机启动并运转带动减速器去驱动机舱转动使风轮偏离风向，直驱动到电子放大器输出停止的时候伺服电机才停止运转。伺服电机停止时所接受到电子放大器的信号，必须是电 子放大器输入直到R与M、P之间的电压之和为零，此时正是叶片偏离风向后仍能达到风轮额定转速的位置。这种电子电路控制的伺服电机调向装置，不仅可以自动调向，还可以实现风力发电机的扭头调速及将风轮转到与风向相平行的位置而停机，同时这套电子控制伺服电机调向装 置还能防止风力发电机突然卸荷或突然与电网解列时的飞车现象。为防止伺服电机连续不断地正、反方向转动，使其准确调向，风向标与导电杆之间的连接有一定的自由度，在一 个自由度内风向标摆动不使可变电阻阻值变化，伺服电机工作。风向标只有在风向改变较大时才能使可变电阻的阻值发生变化，电子控制机构才能启动伺服电机。风向标向左转， 机舱也向左转，风向标向右转，机舱也向右转。继电器1和2是由电子放大器A输出接通电池E1实现伺服电机的正、反转。第五讲 风力发电机组的基本理论31 贝茨(Betz)理论世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整的理论是1919年由A贝茨(Betz)建立的。贝茨理论的建立，是假定风轮是“理想”的，全部接受风能(没有轮毂)，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称平行风轮轴线的)，这时的风轮称“理想风轮”。分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动空气对风轮叶片所做的功。设风轮前方的风速为v1,v是实际通过风轮的风速,v2是叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前风速面积s1，叶片扫掠面的风速面积s及扫掠后风速面积s2。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必v2s1。如图3-1所示。S1 s s2v1 v v2图3-1 贝茨(Betz)理论计算简图v1叶片前的风速；v风经过叶片时的速度；v2风经过叶片后的速度；S1叶片前的风速的面积；S风经过叶片时的面积；S2风经过叶片后的面积如果假设空气是不可压缩的由连续条件可得：s1v1=sv=s2v2=V由流体力学可知，气流的动能为： 3.1 设单位时间内气流流过载面积为s的气体的体积为V则如果以表示空气密度，该体积的空气质量此时气体所具有的动能为： 3.2在国际单位制中，的单位是kg/m3； V的单位是m3；的单位是m/s；T的单位是W。从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度成正比。其中和随地理位置、海拔、地形等因素而变。风作用在叶片上的力由欧拉定理求得 3.3式中 空气当时的密度。风轮所接受的功率为 3.4所以经过风轮叶片的风的动能转化: 3.5式中 空气质量。 3.6 3.7因此，风作用在风轮