第三章风力发电机的类型与结构

第三章风力发电机的类型和结构,微型风力发电机，其额定功率为501000W。小型风力发电机，其额定功率为1.010.0kW。中型风力发电机，其额定功率为10.0100.0kW。大型风力发电机，其额定功率大于100kW。,1风力发电机的种类,1.1按风力发电机的功率分类,小型及大型风力发电机组,1.2根据动力学划分,阻力型风力发电机：在逆风方向装有一个阻力装置，当风吹向阻力装置时推动阻力装置旋转，旋转能转化为电能。风力发电机不能产生高于风速很多的转速；风轮转轴的输出扭矩很大。常用于扬水、拉磨等动力。升力型风力发电机：风能吹过转子时对转子产生升力带动转子转动。由于升力的作用，风轮圆周速度达到风速几十倍，现代风力发电机组几乎全是此类型。,1.3根据转子受力风向划分,顺风型风力发电机：发电机在转子前面，转子自然顺风受力产生能量。逆风型风力发电机：发电机在转子后面，转子由外力调节，始终保持迎风受力从而产生能量。,1.4根据桨叶接受风能的功率调节方式,定桨距（被动失速型）风力发电机：定桨距（失速型）的桨叶与轮毂的连接是固定的。风速变化时，桨叶的迎风角不能随之变化。定桨距（失速型）机组结构简单、性能可靠。变桨距风力发电机：变桨距机组叶片可绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内（一般0-90度）调节变化。性能比定桨距提高很多，但结构复杂，多用于大型机组。主动失速风力发电机：发电机达到额定功率后，主动失速调节是使桨距角向减小的方向转过一个角度。目的使攻角相应增大，以限制风能利用率。,1.5根据叶轮转速是否恒定分类,恒速风力发电机恒速风力发电机的设计简单可靠，造价低，维护量小，可直接并网；缺点是气动效率低，结构负荷高。变速风力发电机变速风力发电机的气动效率高，机械应力小，功率波动小，成本效率高，支撑结构轻；缺点是功率对电压降敏感，电气设备的价格较高，维护量大。,1.6按照风力机旋转的主轴方向,水平轴风力发电机：风轮轴线安装位置与水平夹角不大于150度的风力机。可以是升力装置(升力驱动风轮)，也可以是阻力装置(阻力驱动风轮)。垂直轴风力发电机：风轮轴线安装位置与水平面垂直的风力机。在风向改变时，无需对风。在这点上，相对水平轴风力机是一大优点。这使结构简化，同时也减少了风轮对风时的陀螺力。,水平轴及垂直轴风力发电机组,独立运行风力发电机，风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能，再供用户使用。这种方式可供边远农村、牧区、海岛、边防哨所等电网达不到的地区使用。一般单机容量在几百瓦到几kW。并网运行风力发电机组，在风力资源丰富地区，按一定的排列方式安装风力发电机组，称为风力发电场。发出的电能全部经变电设备送到电网。这种方式是目前风力发电的主要方式。风力同其它发电方式互补运行，风力柴油互补方式运行，风力太阳能电池发电联合运行，风力抽水蓄能发电联合运行等。这种方式一般需配备蓄电池，以减少因风速变化导致的发电量的突然变化所造成的影响，还可节约一次能源。,1.7按风力发电机的运行方式,2水平轴风力发电机结构,大型风电机组基本结构1叶片；2轮毂；3机舱；4叶轮轴与主轴连接；5主轴；6齿轮箱；7刹车机构；8联轴器；9发电机；10散热器；11冷却风扇；12风速仪和风向标；13控制系统；14液压系统；15偏航驱动；16偏航轴承；17机舱盖；18塔架；19、变桨距部分,风轮的组成图,风轮,2.1风轮及其组成,风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。风轮的作用是捕捉和吸收风能。并将风能转变成机械能。再由风轮轴将能量送给传动装置以水平轴升力型风力机的风轮为例(下图)来说明风轮功率的计算。,风以速度V吹向风轮时，风轮转动。设旋转着的风轮其扫掠面积为A，空气密度为，在1s中内流向风轮的空气所具有的动能为（1）若风轮的直径为D，则（2）这些风能不可能全部被风轮捕获。,风轮捕获风能并将之转换成机械能，再由风轮轴输出的功率N（称之为风轮功率)。它与之比，称为风轮功率系数(或风能利用系数)，用表示，即（3）（4）式中的值为0.20.5。,由式（3）得知：因此，当风轮大小、工作风速一定时，应尽可能提高值，以增大风轮功率。这是从事风能开发利用的科技人员追求的主要目标之一。,叶片及叶片材料,叶片发展趋势,叶片是风力机捕捉风能的最重要部件。风能利用效率取决于良好的叶片的空气动力外型，以及具有高强度、高硬度、低密度以及较长使用寿命等优良特点的制造材料。,风力提水机的叶片,风力发电机组的叶片,常见的风力机叶片的横截面结构图,叶片材料选择的要求及选择规则,叶片材料选择规则,纤维增强复合材料玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃钢复合材料,叶片的主要材料特性,玻璃钢叶片,用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如钢和铝，以及玻璃钢。由于叶片的木材一般要选用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、取材率低、造价高、维修不便。钢金属材料制造，又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产品不耐腐蚀等一系列问题。因此，目前在国内已很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃钢。,玻璃钢叶片的优点,26,轮毂,轮毂有固定式和铰链式两种,主轴也称为低速轴，安装在风轮和齿轮箱之间。前端通过螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速连接，承力大而且复杂。,主轴,风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种力，都将经历一次循环,因此会产生循环疲劳,主轴有较高的综合机械性,齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一。由于风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱。,2.2齿轮箱,齿轮箱的分类,按照传动的方式可以分为：展开式，分流式，同轴式以及混合式,2.3调速装置,自然界的风速经常变化。风轮的转速随风速的增大而变快，发电机的输出电压、频率、功率也增加；当风轮的转速超过额定值时，有可能影响机组的使用寿命，甚至造成设备的毁坏。为使风轮能以一定的转速稳定地工作，风力发电机组上设有调速装置。调速装置是在风速大于设计额定风速时才起作用，因此又被称为限速装置。当风速增至停机风速时，调速装置能使风轮顺桨(风向与风轮旋转平面平行)停机。,风力机调速装置调速原理,侧翼及偏心装置调速原理示意图,缩小风轮圆形迎风面积原理图,发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备。,2.4发电机,塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统，塔架与基础相连接，承受风力发电系统运行引起的各种载荷，同时传递这些载荷到基础，使整个风力发电机组能稳定可靠地运行。,2.5塔架,40,微型风力机,小，中型风力机,中，大小型风力机,2.6增速器,由于风轮的转速低而发电机的转速高，为匹配发电机，要在低速的风轮轴和高速的发电机轴之间接一个增速器，增速器就是使转速提高的变速器。增速器的增速比是发电机额定转速和风轮额定转速比。,2.7联轴器,增速器和发电机之间用联轴器连接。在风力发电机中，常采用刚性联轴器、弹性联轴器（或万向联轴器）两种方式。在低速轴端（主轴与齿轮箱低速轴联接处）选用钢性联轴器，一般多选用涨套式联轴器、柱销式联轴器等；在高速轴端（发电机与齿轮箱高速轴联接处）选用弹性联轴器（或万向联轴器），一般选用轮胎联轴器，或十字节联轴器。风力发电机组的传动装置包括增速器与联轴器等。,2.8.1机舱,2.8控制系统及附属部件,2.8.2机头座,回转体(转盘)是塔架与机头座的连接部件，通常由固定套、回转圈以及位于它们之间的轴承组成。固定套销定在塔架上部，回转圈与机头座相连，通过它们之间的轴承和对风装置相连，在风向变化时，机头便能水平地回转，使风轮迎风工作。,2.8.3回转体,大、中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的回转机构。小型风力机的回转体通常是在上、下各设一组轴承，可采用圆锥滚子轴承。也可以上面用向心球轴承承受径向载荷。下面用推力轴承来承受机头的全部重量。微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而采用青铜加工的滑动轴承。这是为了防止机头对瞬时变化的风向过于敏感而导致风轮的频繁回转。,制动装置是使风力发电机停止运转的装置(也称刹车系统)。对于微型和小型风力发电机，可采用如图所示的刹车机构。,2.8.4制动装置,在中型和大型风力发电机组中，有采用叶尖气动刹车和机械式刹车组成的制动系统。功率较大的风力发电机组，应用电磁制动器和液压制动器，当采用电磁制动器时，需要有外电源；当采用液压制动器时，除了需要外电源，还需要油泵，电磁阀，液压油缸和管路等。,控制系统的功能控制系统利用DSP微机处理机，在正常运行状态下，主要通过对运行过程模拟量和开关量的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其他异常情况能自动地监测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。,2.8.5控制系统,控制系统的任务控制系统主要任务就是能自动控