《小型风力发电机应用设计新技术》.doc

小型风力发电机应用设计新技术概 论一、你见过风力发电机吗你见过风力发电机吗？如果你还没有见过一台真正的风力发电机的话，那么，有一样东西，你肯定是不会陌生的，那就是儿童们逢年过节玩耍的“风车”，风力发电机就是由它逐渐演变而来的。那么，就让我们先从“风车”谈起吧。玩具风车产生的年代较早，在辽阳三道壕出土的东汉晚期汉墓壁画中就已出现，由此可以推断，这种风车至少已有1700多年的历史了。除上面谈到的汉墓壁画外，有关风车的记载，还可见于明代刘侗所著帝京景物略一书，在该书中是这样介绍风车的：“剖秫秸二寸，错互贴方纸其两端。纸各红绿，中孔以细竹横安秫竿上，迎风张而急走，则旋转如轮，红绿浑浑如晕，曰风车。不难想像，如果根据同样的原理，只要采用强固的材料来替换玩具风车所用的秫秸，并从尺寸上加以适当放大，便成为一台生产上可以用作动力的水平轴风力机，如果再配以发电机，并组成一个整体的话，那就成了一台风力发电机。风力发电的研究利用是从20 世纪初开始的。20 世纪70年代由于石油危机，油价上涨，以及大量使用矿物燃料给环境造成了严重污染，各种因素促使风力发电得到迅速发展，并出现了许多风电场。随着不可再生的矿物燃料不断被消耗，其储量越来越少，风能将是人类未来重要的能源之一。二、哪些地方可以推广应用风力发电机生活在农区、牧区的居民，边远地区的边防部队、哨所、海岛驻军，内陆湖泊和近海滩涂养殖业及沿海岛屿的渔民，可以使用推广。还可用于地处野外高山的微波站、光缆通信、航标灯、电视差转台站、气象站、森林中的了望烽火台和石油天然气输油管道等。这些地方绝大部分处在风能资源丰富地区，通过采用风力发电机、风力发电机/柴（汽）油互补发电或风力发电机/太阳电池互补发电，既可以保证全天24小时供电，又节约了燃料和资金，同时还减少了对环境的污染，可谓一举三得，经济效益和社会效益十分显著。三、我国已经生产了多少台风力发电机截止2000年底，我国累计生产各种小型（10千瓦以下）风力发电机组197 940台，见表1-1。总装机容量为50 277万千瓦，年发电量7 066千瓦时。其中，内蒙古144 517台，占73%。所生产的小型风力发电机组，除满足国内用户需要外，还出口远销到印尼、瑞典、德国、日本、韩国、蒙古、法国、古巴、越南、泰国、马来西亚、缅甸等23个国家和地区，累计出口各种小型风力发电机组近5000台。我国小型风力发电机组保有量、年产量、生产能力均列世界之首。“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”，社会主义市场经济已为我国各项事业的发展开辟了一条广阔的道路，随着我国加入WTO，我国风力发电机的研究与推广应用，将随着理论研究的不断提高和生产技术的日臻完美，在国民经济中、在人民的日常生活中，将发挥越来越重要的作用。小型风力发电机与风能利用二、风是怎么形成的1.什么是风提到风，谁都会说出很多切身的体会。如微风吹过脸颊时的舒爽，狂风刮过时的树叶纷飞、飞沙走石的情景，如果遇上可怕的龙卷风，那将是拔树毁屋的恐怖景象，凡是见过的人无不“谈风色变”。总之，风有时友好有时又不近人情，来无影去无踪让人捉摸不透。风到底是什么，用科学的说法就是：地球表面的空气水平运动称之为风。太阳辐射对地球表面不均匀性加热是形成风的主要成因。太阳对地球的辐射，透过厚厚的大气层，到达地球表面，地球表面各处（海洋和陆地；高山岩石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地区）吸收热量不同；由于地球自转、公转、季节、气候的变化和昼夜温差的影响，使地表各处散热情况也各不相同，散热多的地区，靠近地表的空气受热膨胀，压力减少，形成低气压区，这时空气从高气压区向低气压区流动，这就产生了风。地形、地貌的差异，地球自转、公转的影响，更加剧了空气流动的力量和流动方向的多变性，使风速和风向的变化更加复杂。2. 风的种类为了区别不同的风，我们给它们都取个名字。下面就让我们分别认识它们吧。（1）贸易风：在地球赤道上，热空气向空间上升，分为流向地球南北两极的两股强力气流，在纬度30 度附近，这股气流下降，并分别流向赤道与两极。在接近赤道地区，由于大气层中大量空气的环流，形成了固定方向的风，自古以来，人们利用这种定向风，开展海上远程贸易，所以称为贸易风。由于地球自西向东旋转的结果，贸易风向西倾斜，此时北半球产生了东北风，而南半球则产生了东南风，如图2-1所示。（2）旋风和反旋风：由两极流向赤道的冷空气气流与由赤道流向两极的热空气气流相遇处（约在纬度5060度附近）构成了涡流运动，为旋风和反旋风，而非定向的、常见的环流。地形的差异（如陆地、海洋、山岳、森林、沙漠）使在同一纬度上受到程度不同的加热，因而产生了地区性风。（3）轻风：由于昼夜之间的温度变化而产生的沿海岸风称为轻风。当日间有太阳时，陆地所接受的热量较海洋强烈，因而陆地上空的空气较轻，于是陆地上空的空气向上升，冷空气力图白海洋流向沿岸陆地，于是产生了海风。陆地上的热空气则流向海洋，到离海岸某一距离处下降。而在夜间，陆地上的空气比海洋上的空气冷却较快，因此，陆地上的下层空气流向海洋，而上层空气则由海洋流向陆地，形成了与白昼相反的风向，称为陆地风（图2-2）。轻风方向的更换决定于地形条件。海风通常自上午910时开始，陆地风则在日落以后开始。轻风仅在沿海岸才遇到，流动可及的距离约为在海洋和陆地两方各40千米之间。（4）季节风：陆地上每年的温度变化较海洋大，同样也引起与轻风相似，但具有季节性的气流循环，它的强度大于轻风的气流循环强度，这种风称为季节风。（5）平原和山岳风：山岳地区在一昼夜间有周期性的风向变换，与轻风相似，平原风每日上午自910时至日落沿山岳的坡度向高处流动，在夜间则与此相反，气流自山岳流向平原，形成了山岳风。如果平原处于海岸处，则会引起特别强劲的风，因在夜间，山岳风被陆地风增强了，而在日间，平原风被海风增强。夜间的山岳风是由于山顶的冷空气具有较大密度，流向平原，形成夜间山岳风。平原风的产生则是由于日间山岳斜面上的空气较热于平原上的空气，因此地势低处的空气膨胀，引起空气流动。3.风的特性风作为一种自然现象，有它本身的特性。通常采用风速、风向、风频等基本指标来表述。（1）风速：空气在单位时间内运动的距离，用米/秒或千米/时作为计量单位。例如空气在1 秒钟内运动了3米，那么风速就是3 米/秒。由于风是不断变化的，通常所说的风速是指一段时间内各瞬时风速的算术平均值，即平均风速。风速可由测风仪测量得到。（2）风速随高度的变化：从地球表面到10 000米高空层内，空气的流动受到涡流、黏滞和地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而增大。通过实验，我们常用的计算风速随高度的变化的公式有指数公式：=1 （h/h1）n （2-1）对数公式：=1 （1gh/h0）/ 1g（h1/h0） （2-2）式中：1高度为h1的风速；h0风速为零的高度；n值取决于地面的平整度（粗糙度）和大气的稳定度，取值范围为1/81/2。在开阔、平坦、稳定度正常的地区，n 值取1/7。（3）风频：分为风速频率和风向频率。风速频率：各种速度的风出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，为了有利于风力发电机平稳运行，便于控制，希望平均风速高、而风速大小变化小。风向频率：各种风向出现的频繁程度。对于风力发电的风能利用而言，总是希望某一风向的频率尽可能的大。二、风能的特点和限制性1.风能的特点大家可能深有体会，在大风中会站立不稳，说明风具有能量。风所具有的动能我们称为风能，是指空气相对地面做水平运动的时候所产生的动能。根据理论计算和实践结果，我们把具有一定风速的风，通常是指3米/ 秒到20米/秒的风作为一种能量资源加以开发，用来做功（如发电），我们把这一范围的风称为有效风能或风能资源。因为风速低于3米/秒时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20米/秒时，它对风力发电机的破坏性很大，很难利用。那么风速和我们常常听到的“几级风”有什么关系呢？世界气象组织将风力分为13个等级，如表2-1 所示，在没有风速计的时候，可以根据它来粗略估计风速。大风所具有的能量是很大的。风速为910米/秒的5 级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为10 千克；风速为20米/秒的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为50千克；风所含的能量比人类迄今为止所能控制的能量要大得多。2.风能的优点和局限性风能与其他能源相比，有明显的优点，但也有其突出的局限性。（1）风能的优点。蕴藏量大：我们已知道风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽、用之不竭的可再生能源。根据计算，太阳至少还可以像现在一样照射地球60亿年左右。无污染：在风能转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。可再生：风能是靠空气的流动而产生的，这种能源依赖于太阳的存在。只要太阳存在，就可不断地、有规律地形成气流，周而复始地产生风能，可永续利用。分布广泛、就地取材、无需运输：在边远地区如高原、山区、岛屿、草原等地区，由于缺乏煤、石油和天然气等资源，给生活在这一地区的人民群众带来诸多不便，而且由于地处偏远、交通不便，即使从外界运输燃料也十分困难。因此，利用风能发电可就地取材、无需运输，具有很大的优越性。适应性强、发展潜力大：我国可利用的风力资源区域占全国国土面积的76%，在我国发展小型风力发电，潜力巨大、前景广阔。（2）风能的限制性。能量密度低：由于风能来源于空气的流动，而空气的密度很小，因此风力的能量密度很小，只有水力的1/816。不稳定性：由于气流瞬息百变，风时有时无，时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显。地区差异大：由于地形变化，地理纬度不同，因此风力的地区差异很大。两个近邻区域，由于地形的不同，其风力可能相差几倍甚至几十倍。三、我国风能资源区划根据国家气象局气象研究院的估算，我国的地面风能潜力理论可开发的总量全国为32.26亿千瓦，10米高度层实际可供开发量为2.53亿千瓦，可开发的风能资源是十分丰富的。为了充分开发利用丰富的风能资源，在研究了各地风能资源差异的基础上，进行了风能资源区划，为设计、生产部门研制风力机以及广大用户选购风力机提供科学依据，并为政府部门制定能源规划提供参考。我国风能资源区划。在我国的不同地区，风能资源是不同的。我国风能资源可划分为4种类型：（1）风能资源丰富区：这一区域的有效风能功率密度在200瓦/米2以上，风速不低于3.5 米/秒的时间，全年为7 0008 000小时左右。（2）风能资源较丰富区：这一区域的有效风能功率密度为150瓦/米2 以上，风速不低于3.5米/秒的时间，全年为4 000小时以上。（3）风能资源可利用区：这一区域的有效风能功率密度为50瓦/米2以上，风速不低于3.5米/ 秒的时间，全年为2 000小时以上。（4）风能资源欠缺区：这一区域的有效风能功率密度50瓦/ 米2以下，风速不低于3.5米/秒的时间，全年为2 000小时以下。根据全国气象台站风能资料的统计和计算，表2-2 给出我国风能区占全国面积的百分比。四、什么样的风能对人类有用风虽然随处可见，但是也有可利用和不可利用之分，它与风速有直接关系。根据上面风能资源区划，年平均风速小于2米/秒的地区，其潜能很低，至少目前没有什么利用价值。年平均风速在24米/秒的地区，是风能可利用区，在这一区域内，年平均风速在34 米/秒的地区，利用价值较高，有一定的利用前景，但从总体考虑，该地区的风力资源仍是不高。年平均风速在44.5 米/秒的地区基本相当于风能较丰富区；年平均风速大于4.5米渺的地区，属于风能丰富区。由此可见，除去一些破坏性极大的风（如台风、龙卷风等），绝大多数风速在2米/秒以上的风能都是对人类有用的风能。目前，国内外一般选择年平均风速为6米/秒或以上的高风速区（ 即风能资源丰富区），安装并网型风力发电机组，即大型风力发电机组。在这些机组中，我国一般选用单机容量600千瓦以上的机组建设风电场。这样才能保证机组多发电，经济效益才能显著。独立运行的小型风力发电机组启动风速较低，一般为3 米/秒以上就能发电，这些地区分布区域广，我国有相当部分农耕区、山区和牧区属于这种地区。五、你居住的地方有没有丰富的风能资源根据上面对风能资源的区划方法，利用我国2 434个气象台站的多年测试的年平均风速资料，绘制了全国320米/秒风速全年积累小时数分布图。风能较丰富的地区大致为：内蒙古的中西部，10月以后每当冷空气过境，就产生56 级以上大风；渤海沿岸，因受海洋的影响，风力较大；内蒙古的通辽市和赤峰市，因受大兴安岭余脉的影响，风力较大；新疆的准噶尔盆地，因南面为天山，盆地成为冷空气南下的通道，特别是冬、春季，风力较大。还有东南沿海、东海、南海群岛，台湾和南海西部，这些地区的风能为全国最大；此外，黄河沿岸地区风能资源也较丰富。风能欠缺区大致在雅鲁藏布江河谷和塔里木盆地，这两个地区由于四面环山，风能很小，基本上没有利用价值；而云南的西部和南部，东南丘陵地区和南岭山区，风能密度很小；四川盆地，风速很低，这些地区的风能也难利用。除上述地区外，其他地区就属于风能可利用区了，它们大致分布在华北南部、江淮下游、福建西部、关中、甘南、四川西部、塔里木盆地南部、青藏高原的东部和南部、甘肃、宁夏的一部分。你居住的地方有没有丰富的风能资源？你就可以根据风速时数分布来判断。前面我们已经讲了风能资源由于受地形、地貌的影响很大，因此还要到你居住附近的气象台站去查阅当地的风能资料。风能资源开发判断依据一、风能的计算公式我们在上面几节中已大致讲了多大的风能资源值得开发利用，但是要比较精确地判断，就要用“风能公式”来进行计算，下面这个公式就是著名的“风能公式”： E=1/2（ts3）式中：!空气密度（千克/米2）；风速（米/ 秒）；t时间（秒）；S截面面积（米2）。它是风能利用中常常要用的公式。由风能公式可以看出，风能主要与风速、风所流经的面积、空气密度三个因素有关，其关系如下：（1）风能（E）的大小与风速的立方（3）成正比。也就是说，影响风能的最大因素是风速。（2）风能（E）的大小与风所流经的面积（s）成正比。对于风力发电机来说，就是风能与风力发电机的风轮旋转时的扫掠面积成正比。由于通常用风轮直径作为风力发电机的主要参数，所以风能大小与风轮直径的平方成正比。（2）风能（E）的大小与空气密度（）成正比。空气密度是指单位体积（m3）所容纳空气的质量（千克）。因此，计算风能时，必须要知道空气密度值。空气密度值与空气的湿度、温度和海拔高度有关，可以从相关的资料中查到。二、判断风能资源是否值得开发的依据从风能公式我们可以看到，影响风能资源的主要因素是风速，我们通过风能的区划可以看到，风能欠缺区由于平均风速很低，没有开发价值。另一方面，我们还要考虑到，功率不同的风力发电机，对风速的要求是不同的，因此判断某一地区的风能资源是否值得开发，还要考虑你准备采用的风力发电机的功率大小和机型。（1）大型风力发电机（100千瓦以上）可能发展的地区，其年平均风速大约为6米/ 秒以上，在全国范围内，仅仅局限于几个地带，就陆地而言，大约占全国总面积的1/100。（2）中型风力发电机（10千瓦级及以上）可能发展的地区，其年平均风速大约为4.5米/ 秒以上，在全国范围内，可以发展中型风力发电机的地区，大约占全国陆地总面积的1/10。（3）小型风力发电机（10 千瓦级及以下）可能发展的地区，其年平均风速大约为3米/秒以上，在全国范围内，可以发展小型风力发电机的地区范围较大，大约占全国陆地总面积的40%以上。具体说，东北除大兴安岭、长白山脉的背风低谷等不利地形外；内蒙古的大部；京、冀、晋、陕、宁、甘的北部；青海的中西部；西藏的雅鲁藏布江河谷以外的大部；新疆除两大盆地及阿尔泰山等的外围地区；津、冀、鲁、豫的东部；江苏、皖北至江西、湖北的两湖地区；向南包括浙、闽、两广的沿海；云南东北部等都是小型风力发电机可能发展的地区。地球上的风能资源约为200万亿千瓦时/年，目前已被开发利用的部分是微不足道的。如果将1%的地面风能资源开发利用，就能满足全世界对能源的需求。可见风能的开发利用潜力是多么巨大。我们伟大的祖国地域辽阔、幅员广大，除少数省份年平均风速比较小以外，大部分省、市、自治区，尤其是西南边疆、沿海和三北（ 东北、西北、华北）地区，都有着极有利用价值的风能资源。我们要认识和掌握风能利用的规律，将丰富的风能资源利用起来，造福于人类。 小型风力发电机上面我们谈了风和风的特性，现在该谈谈我们的主角“小型风力发电机”了。我们一般把发电功率在10千瓦级及以下的风力发电机称作小型风力发电机。它有多种不同的结构，下面将分别给大家介绍。一、风力发电机的分类1. 按风力发电机的风轮轴的位置分类按风力发电机风轮轴的位置，分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。图4-1 和图4-2分别是典型的水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机的示意图。（1）水平轴风力发电机：水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。风轮叶片数目为14片（大多为2片或3片），它在高速运行时有较高的风能利用系数，但启动时需要较高的风速。水平轴风力发电机可以是升力装置（ 即升力驱动风轮），也可以是阻力装置（ 阻力驱动风轮）。大多数水平轴风力发电机具有对风装置：对于小型风力发电机，一般采用尾舵；而对于大型风力发电机，则利用对风敏感元件。水平轴风力发电机随风轮与塔架相对位置的不同，而有上风向与下风向之分。风轮安装在塔架的前面迎风旋转，叫上风向风力发电机；风轮安装在塔架后面的，叫下风向风力发电机。上风向风力发电机必须有某种调向装置来保持风轮迎风，而下风向风力机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。但下风向风力发电机，由于一部分空气通过塔架后，再吹向风轮，这样，塔架就干扰了流过叶片的气流而形成“塔影效应”，使性能有所降低。（2）垂直轴风力发电机：垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转，风轮轴与风向垂直。其优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它的结构设计简化。垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，十分便于维修。垂直轴风力发电机可分为两个主要类别，一类是利用空气动力的阻力作功，典型的结构是% 型风轮（图4-2a）。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是启动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力发电机，因为受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。另一类是利用翼型的升力作功，最典型的是达里厄（Darrieus）型风力发电机（图4-2b），是水平轴风力机的主要竞争者。达里厄风力发电机有多种形式，基本上是直叶片和弯叶片两种。叶片具翼型剖面，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。垂直轴风力发电机在风向改变时，无需对风向，在这一点上，相对于水平轴风力发电机是一大优点，这使得结构简化，同时也减少了风轮对风向时的陀螺力。（3）浓缩风能型风力发电机：浓缩风能型风力发电机是近几年发展起来的新型风力发电机，其特点是更有效地实现风能利用的高效、高可靠性和低成本。当能流密度低、风向和流速不断变化的自然风经过浓缩风能型风力发电机时，自然风的能流密度提高，流速变均匀，即风力发电机叶轮所接受的能量品质得到改善。因此，该机型发电功率大、发电时间长、发电质量好，发电总量大，系统运行稳定、可靠、安全，低噪音、寿命长、发电成本低。浓缩风能型风力发电机的结构参看封2 彩图。2.按风力发电机的功率分类按风力发电机的功率分类可分为大、中、小型风力发电机。我们在前面已介绍，功率在10千瓦以下的称为小型风力发电机；功率在10千瓦至100千瓦的称为中型风力发电机；功率在100千瓦以上的称为大型风力发电机。二、小型风力发电机的基本结构和特性目前，我国推广应用最多的小型风力发电机，其机型是水平轴高速螺旋桨式风力发电机，因此，我们将重点介绍它的基本结构和特性。水平轴高速螺旋桨式风力发电机大致由以下几个部分组成：风轮、发电机、回转体、调速机构、调向机构（尾翼）、刹车机构、塔架。其基本构造原理如图4-3 所示。1.风轮水平轴风力发电机的风轮是由1-4个叶片（ 大部分为23个叶片）和轮毂组成。其功能是将风能转换为机械能，它是风力发电机从风中吸收能量的部件。叶片的结构一般有6种形式，如图4-4所示。（1）实心木制叶片。这种叶片是用优质木材，精心加工而成，其表面可以包上一层玻璃纤维或其他复合材料，以防雨水和尘土对木材的侵蚀，同时可以改善叶片的性能。有些大、中型风力机使用木制叶片时，不像小型风力机上用的叶片由整块木料制作，而是用很多纵向木条胶接在一起（图4-4a）。（2）有些木制叶片的翼型后缘部分填充质地很轻的泡沫塑料，表面再包以玻璃纤维形成整体（图4-4b）。采用泡沫塑料的优点不仅可以减轻重量，而且能使翼型重心前移（重心前移至靠前缘1/4 弦长处最佳），这样可以减少叶片转动时所产生的不良振动。对于大、中型风力机叶片尤为重要。（3）为了减轻叶片重量，有的叶片用一根金属管作为受力梁，以蜂窝结构，泡沫塑料、轻木或其他材料作中间填充物，在其外面包上一层玻璃纤维（图4-4c）。（4）为了降低成本，有些中型风力机的叶片采用金属挤压件，或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型（图4-4d），但整个叶片无法挤压成渐缩形状，即宽度、厚度等不能变化，难以达到高效率。（5）有些小型风力机为了达到更经济的效果，叶片用管梁和具有气动外型的玻璃纤维蒙皮做成。玻璃纤维蒙皮较厚，具有一定强度，同时，在玻璃纤维蒙皮内可粘结一些泡沫材料的肋条（图4-4e）。（6）叶片用管梁、金属肋条和蒙皮做成。金属蒙皮做成气动外型，用铆钉和环氧树脂将蒙皮、肋条和管梁粘结在一起（图4-4f）。总的说来，除部分小型风力机的叶片采用木质材料外，通常风力机的叶片采用玻璃纤维或高强度复合材料，而且叶片的材料也在不断改进。具有流线型断面的叶片，在一定条件下得到的升力比阻力大20多倍，是一种比较理想的叶型，图4-5中的叶片结构型式就是流线型叶片。风力机叶片都装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件，所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象，同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。轮毂要有足够的强度，并力求结构简单。在可能的条件下（如采用叶片失速控制），叶片采用定桨距结构，即将叶片固定在轮毂上无俯仰转动，这样不但能简化结构，提高寿命，而且能有效地降低成本。2. 发电机（1）发电机的种类：小型风力发电机所用的发电机，可以是直流发电机，也可以是交流发电机。目前，小型风力发电机用的发电机大部分是三相交流发电机。由于产生磁场的形式不同，三相交流发电机有永磁式和励磁式，它们所产生的三相交流电都要通过整流二极管整流后输出直流电。为便于安装和维修，现在很多小型风力发电机，采用交流发电机时，将整流器安装在控制器中。交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、低速发电性能好等优点。尤其是对周围无线电设备的干扰要比直流发电机小得多，因此适合小型风力发电机使用。（2）发电机的构造：交流发电机主要由转子、定子、机壳和硅整流器组成。转子：转子做成犬齿交错形的磁极。永磁式发电机的转子磁极由永久磁铁制成。励磁式发电机的转子磁极由两块低碳钢制成。在磁极内侧空腔内装有励磁线圈绕组，当通天励磁电流时，便可产生磁场。定子：定子由铁芯和定子线圈组成。铁芯由硅钢片制成，在铁芯槽内绕有三组线圈，按星形法连接，发电机工作时线圈内便产生三相交流电。机壳：机壳是交流发电机的外壳，由金属制成，它包括壳体和前后端盖。如果将整流器装在发电机中，装有整流器的端盖也叫整流端盖。整流器：整流器由六个硅整流二极管组成桥式全波整流线路。它的作用是将三相交流转变为直流，可以很方便地将它储存在蓄电池中。现在，很多生产厂家采用整体封装的整流桥模块，简化了电路、提高了可靠性、降低了成本。（3）发电机的功率：发电机的额定功率是指发电机在额定转速下输出的功率。由于风速不是一个稳定值，因而发电机转速会随风速而变化，因此输出功率也会随风速变化。当风速低于设计风速时，发电机的实际输出功率将达不到额定值；当风速高于设计风速时，实际输出功率将高于额定值。表4-1为FD2-100 型风力发电机在不同风速下的输出功率。从表4-2 可看出该机的额定功率100瓦是指在设计风速6 米/ 秒时，风力发电机所输出的功率。最大输出功率可达180 190瓦。当然，由于风力发电机的限速和调速装置及发电机本身设计参数的限制，发电机的输出功率不会无限增大，只能在某一范围内变动。3. 回转体回转体是小型风力发电机的重要部件之一。其作用是支撑安装发电机、风轮和尾翼调速机构等，并保证上述工作部件按照各自的工作特点随着风速、风向的变化在机架上端自由回转，小型风力发电机回转体的结构和安装方式种类各异。其中，偏心并尾式回转体目前在我国应用比较广泛，其结构要素可归纳如下，见图4-5。（1）风轮的仰角：为了提高风轮的工作性能，在回转体上平面与水平面间设计有510 度的夹角。发电机安装在回转体上平面，这样发电机轴（也就是风轮轴）就有一个510度的仰角，从而提高了风轮工作的稳定性和可靠性。（2）风轮轴与回转体中心偏心距：风轮轴与回转中心偏心距是小型风力发电机调速机构准确调速的重要结构参数。当风速达到限速风速时，此偏心距能准确地产生一个迫使风轮扭转的力矩，使风轮立即开始侧偏调整。如果风速继续增大，风轮扭转力矩也增大，风轮继续侧偏，直至达到限速停车的极限位置。（3）尾翼后倾角和侧偏角：尾翼与回转体上的尾翼连接耳通过销轴联结，而此销轴在安装时即有一个设计好的空间后倾角和侧偏角，由于这一空间后倾角和侧偏角的存在，当风轮侧偏调速时，尾翼逐渐翘起，翘起的尾翼在其重力的作用下企图恢复到原来位置，一旦风速减小，尾翼重力作用下的恢复力矩迫使尾翼回到原来位置，使风轮迎风。4.调速机构由于自然界的风具有不稳定性、脉动性，风速时大时小，有时还会出现强风和暴风，而风力发电机叶轮的转速又是随着风速的变化而变化的，如果没有调速机构，风力发电机叶轮的转速将随着风速的增大而越来越高。这样，叶片上产生的离心力会迅速加大，以至损坏叶轮。另外，随着风速增大，叶轮转速增高的同时，风力发电机的输出功率也必然增大，而风力发电机的转子线圈和其他电子元件的超载能力是有一定限度的，是不能随意增加的。因此风力发电机若要有一个稳定的功率输出，就必须设置调速机构。小型风力发电机常用的调速方法有三种：风轮侧偏调速法；桨叶侧偏调速法；空气制动调速法。（1）风轮侧偏调速法：当风速达到限速风速时，通过扭转风轮迫使其顺着风向侧偏，减小风轮迎风面积，从而达到调速的目的。这种调速方法有两种，一种是借助“侧翼”来实现风轮侧偏调速；另一种是利用“偏心”的办法进行调速。侧翼调速法：就是在风轮后面与风轮回转面平行安装一个侧翼，其侧翼梁应平行于地面。侧翼板伸到风轮回转直径之外，并与回转面平行。侧翼的迎风面积，以当风速达限速风速时侧翼板上的风压足以使风轮扭转限速为标准，通过严格的设计和试验确定，不可随意变动。调速原理如图4-6a所示，当风速还没有达到限速风速时，风轮将在尾翼的作用下处在正对风向的位置，也就是工作的位置。当风速达到或超过限速风速时，侧翼板上受到的风压足以克服弹簧或配重的拉力，驱使风轮顺着风向扭转一个角度，使之与尾翼（调向机构）靠近。此时由于风轮迎风角度的改变，迎风面积变小，转速也就随之降了下来，达到了调速的目的。当风速继续增大，以至达到刹车风速或超过刹车风速时，风轮将扭转到与尾翼完全靠拢的位置，也就是完全顺着风向的位置，停止转动，达到刹车的目的。风轮扭转后回位是靠侧翼相对一侧的弹簧或配重来实现的，也就是当风速减小到低于限速风速时，弹簧或配重将拉着机头回到原来的位置。偏心调速法：所谓偏心，就是指风力发电机风轮水平旋转轴与风力发电机机头的垂直旋转轴有一距离，此距离称为偏心距。当风大时，此偏心距可促使风轮产生一个顺着风向扭转的力矩。这种调速法的优点是结构简单。目前我国大多数小型风力发电机都采用了风轮偏心调速方式，其工作原理如图4-6b所示。风轮轴与机头回转中心有一偏心距e，所以当风速作用于风轮上时即产生了一个迫使风轮扭转的力矩Me，当风速还没有达到限速时，Me小于机头支座中的摩擦力矩Mf，此时风力发电机处于图4-6b1工作状态，当风速增大时，作用于风轮上的风压亦增大，偏心力矩Me也就增大，若Me大于摩擦力矩Mf时，风轮即开始侧偏，如图4-6b2所示。如果这时风速保持定值，由于风轮已经侧偏，风轮所受风压也就减小，风轮转速相应降低，从而达到调速的目的。这时偏心力矩Me与摩擦力矩Mf平衡；如果风速继续增加，即偏心力矩Me继续增大，风轮继续侧偏，其极限位置如图4-6b 3所示。需要说明一点，即尾翼与机头通过销轴联结，而此销轴在设计安装时就有一个空间后倾角和侧偏角，由于这一空间后倾角和侧偏角的存在，风轮侧偏调速时，尾翼逐渐翘起，翘起的尾翼在其重力的作用下企图恢复到原来位置，一旦风速减小到某一值时，在尾翼重力产生的恢复力矩作用下即可迫使风轮迎风继续旋转。（2）桨叶侧偏式调速法（变桨距调速法）：变桨距调速法就是当风速达到限速风速时，迫使桨叶绕叶柄转过一个角度，以改变桨叶的冲角，从而改变桨叶的升力与阻力，达到调速的目的。图4-7为FD2-100型风力发电机变桨距调速机构。弹簧套筒内装有启动弹簧6和调速弹簧5，桨叶在安装时有一较大的安装角，便于低风速时启动。风轮旋转起来后，在离心力的作用下，桨叶向外拉伸压缩启动弹簧6，同时在螺旋副的作用下，桨叶扭转很快进入最佳冲角状态。如果风速继续增加，则桨叶的离心力亦增大，此时调速弹簧5 开始工作。同样道理，在离心力作用下，桨叶向外拉伸（带动桨叶轴亦向外拉伸），由于螺旋副的作用，桨叶扭转以至达到负冲角，风轮转速显著降低，达到调速的目的。当风速降低时，在弹簧张力的作用下，桨叶恢复到调速状态前的工作位置。这样就使风轮转速保持在一定的范围内工作。（3）空气制动调速法：空气制动调速法就是在桨叶上采用增大桨叶阻力的方法以获得调速的目的。增大阻力最简单的装置是空气制动器，如在桨叶上装上襟翼，如图4-8。襟翼2 固定装在轴5 上，并装在桨叶的两面，轴5为与拉杆4相连的杠杆3所转动，拉杆4的外端装有重块1，在拉杆4的另一端接上弹簧6及环状杠杆7，杠杆的环活动地装在风轮轴上。在正常转速时，襟翼2与气流并行，所以不会产生多大的阻力。要是风轮的角速度大于正常速度时，在离心力作用下，重块1开始沿径向向桨叶外端移动，通过拉杆4的作用转动襟翼的轴使其平面与旋转方向相反。此时阻力增加而将风轮制动，当风速减小时，弹簧6则将襟翼回转至原来的位置。5.调向机构为什么要设置调向机构呢？大家知道，风力发电机是靠风的能量发电的，而风轮捕获风能的大小与风轮的垂直迎风面积成正比，也就是说，对于某一个风轮，当它垂直风向时（正面迎风）捕获的风能就多；而当它不是正面迎风时，所捕获的风能相对就少；当风轮与风向平行时，就捕获不到风能。所以，风力发电机必须设置调向机构，使风轮最大程度地保持迎风状态，以获取尽可能多的风能，从而输出较大的电能，调向机构对于小型风力发电机来说，一般采用“尾翼调向”。尾翼主要用在小型风力发电机上，由尾翼梁、尾翼板等组成，一般安装在主风轮后面，并与主风轮回转面垂直。其调向原理是：风力发电机工作时，尾翼板始终顺着风向，也就是与风向平行。这是由尾翼梁的长度和尾翼板的顺风面积决定的，当风向偏转时尾翼板所受风压作用而产生的力矩足以使机头转动，从而使风轮处在迎风位置。尾翼板的形状如图4-9 所示，a为旧式风力发电机使用的形式，b 是a的改进型，c对风向的变化最敏感，灵敏性好，是最好的形状。c 尾翼有最大的翼展弦长比，这种尾翼的设计和滑翔机翼一样，能充分地利用上升的气流。实际上尾翼的翼展和弦长的比在25之间，典型尾翼的高应是宽的5 倍左右。尾翼一般都装在风力发电机风轮的尾流区里，但为了避开风轮的尾流区，也有把尾翼安装在很高位置上如图4-10所示。而尾翼支撑臂的长度，以与风轮直径大体相同为标准，尾翼面积为风力发电机回转面积的1/8。6.手刹车机构小型风力发电机的手刹车机构的用途是使风轮临时性停车（停止旋转）。如遇到特大风时可紧急使风轮停转，检修风力发电机和为了使风力发电机有计划地停止转动等，可通过手刹车机构使风轮刹车，或使风轮偏转与尾翼板平行。为了简化结构，有些小型风力发电机没有设置手刹车机构，但为实现临时停车，大多在尾翼端部系一根尼龙绳摆动尾翼，使风轮偏转离开迎风位置。手刹车机构一般都是钢丝绳牵拉式。小型风力发电机手刹车钢丝绳的牵拉方式有杠杆原理牵拉、绞轮原理牵拉。7. 塔架为了让风轮在地面上较高的风速带中运行，需要用塔架把风轮支撑起来。这时，塔架承受两个载荷：一个是风力发电机重力，向下压在塔架上；一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。塔架所用材料是木杆或铁管，也可以采用钢材作成的桁架结构。小型风力发电机百瓦级的大多采用空心、立柱拉索式见图4-11a，千瓦级的采用空心立柱式，也有采用桁架式见图4-11b。不论选择什么样的塔架，目的是使风轮获得较大风速，同时还必须考虑成本。引起塔架破坏的载荷主要是风力发电机的重量和塔架所受到的阻力，因此，要根据实际情况来确定。小型风力发电机正常工作技术条件前面我们已经介绍了风能有很大的限制性。风的能量密度低，气流瞬息百变，时有时无，时大时小，日、月、季、年的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。因此如果只有一台风力发电机，它发的电就会时有时无，电压时高时低，无法正常向用户提供所需的电能。我们必须建立一个发电系统，来保证其正常供电，这个发电系统包括控制器、逆变器、蓄电池。一、发电系统中要配备控制器1.为什么要配备控制器为了保证在没有风或风小时能正常供电，我们必须将风力发电机发的电储存起来，目前采用最多的储能方法是利用蓄电池将电能储存起来。为了降低成本，在风力发电系统中，大量采用酸性蓄电池。但是酸性蓄电池的抗过充电、过放电能力很低，过充电不仅造成蓄电池容量降低，并导致蓄电池失效；过放电造成蓄电池亏电，严重影响蓄电池使用寿命。因此，在发电系统中，必须要配