2.2 风力机

风力机是把风的动能转换成机械能的机械设备。风力机通常由风轮、对风装置、调速限速机构、传动装置、做功装置、储能装置、塔架及附属部件组成。

风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其他动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。风轮一般由叶片和轮毂组成，一般有2～3个叶片，是捕获风能的关键设备。

2.2.1 叶片

叶片也称为桨叶，是将风能转换为动能的部件，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%的效率。对于外形很均匀的叶片，叶片少的叶轮转速快些，这样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。

叶片的翼型设计、结构型式会直接影响机组的性能和功率。风力机叶片的剖面形状称为风力机翼型，它对风力机性能有很大的影响。目前风力机叶片有NACA44系列、NACA63-2系列、NRELS系列、FFA-W系列和DU系列等。叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。目前的叶片品种有木制叶片及布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片、玻璃钢复合叶片和碳纤维复合叶片等5种，目前的主要构成材料是玻璃纤维增强聚酯或碳纤维增强聚酯，为多格的梁/壳体结构。大型叶片主要采用的是玻璃钢复合材料，这种材料制作的叶片具有以下特点：

（1）可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度。风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲力和离心力，气动弯曲载荷比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可把叶片设计得比铝叶片更轻，减轻叶片的重量，重量的减轻反过来可降低叶片的离心力及重力引起的交变载荷。

（2）容易成型，易于达到最大气动效率的翼型。为了达到最佳气动效果，叶片具有复杂的气动外形，在风轮的不同半径处，叶片的弦长、厚度、扭脚和翼型都不同，如用金属制造很困难，而用玻璃钢制造则容易得多，它不需要复杂的工艺装备，模具制成后，可以进行批量生产。

（3）优良的动力性能和较长的使用寿命。叶片使用寿命20年，要经受1×107次以上疲劳交变。玻璃钢的疲劳强度较高，缺口敏感性低，它的疲劳破坏有一个较长的开裂过程。玻璃钢在产生初始裂纹后，还能工作相当长的一段时间。

（4）耐腐蚀性和耐气候性好。风力机安装在外，风力发电机组要受到各种气候环境的影响，要具有耐酸、碱、水、汽的性能。而玻璃钢复合材料具有这种优良的性能，能在这种恶劣环境下工作的时间较长。

（5）易于修补且维修简便。玻璃钢叶片的另一突出优点就是易于补修。叶片在使用过程中可能发生局部或较大区域的损伤，对于玻璃钢叶片，只要损伤区不是严重到接近破坏，一般都可以修复。

叶片有内置的防雷电系统，叶尖装有金属接闪器。叶片的外形如图2-6所示。

2.2.2 轮毂

风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。叶片与轮毂依靠轴承连接，并用螺栓分别紧固在轴承的内外圈上，通过液压驱动同步盘实现变桨距功能。叶片产生的气动载荷以及由于风轮旋转和机舱对转动引起的离心力、惯性力和重力通过三片叶片传递给轴承并最终通过螺栓传递到轮毂，承受叶片传来的各种静载荷和交变载荷时，在轮毂法兰盘处很容易引起应力集中。因此轮毂设计的好坏将直接影响到整个风力发电机组的正常运行和使用寿命，有必要对轮毂进行受力分析以确定轮毂各个部位应力分布，为轮毂的优化设计提供依据。根据形状的不同轮毂可分为球形和三角形两种。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，在设计中应保证足够的强度。轮毂的外形图如图2-7所示。

2.2.3 风力机的分类方式

风力机的分类方式较多，按照桨叶、风轮转速、传动结构、发电机类型、并网方式以及风力发电机的旋转轴等可分为以下6种类型。

1．按桨叶分类

（1）失速型。高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率。桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶节距角不能随之变化。这一特点使得当风速高于风轮的设计点风速（额定风速）时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，桨叶的这一特性称为自动失速性能。运行中的风力发电机组在突甩负载的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。20世纪70年代，失速性能良好的桨叶的出现，解决了风力发电机组自动失速性能的要求；20世纪80年代叶尖扰流器的应用，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，这些使得定桨距失速型风力发电机组在过去20多年的风能开发利用中始终处于主导地位。

（2）变桨型。高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。变桨距风轮运行是通过改变桨距角，使叶片剖面的攻角发生变化来迎合风速变化，从而在低风速时能够更充分地利用风能，具有较好的气动输出性能，而在高风速时，又可以通过改变攻角的变化来降低叶片的气动性能，使高风速区风轮功率降低，达到调速限功的目的。

2．按风轮转速分类

（1）定速型。风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与恒速发电机对应。定速风力机一般采用时速控制的桨叶控制方式，使用直接与电网相连的异步感应电动机。由于风能的随机性，驱动异步发电机的风力机低于额定运行的时间占全年运行时间的60%～70%。

（2）变速型。变速风力机一般配备变桨距功率调节方式。风力机必须有一套控制系统来调节，限制转速和功率。调速与功率调节装置的首要任务是使风力机在大风运行发生故障和过载荷时得到保护；其次，使风力发电机组能够在启动时顺利切入运行，电能质量符合公共电网要求。

1）双速型。可在两个设定转速运行，改善风能转换率，与双速发电机对应。

2）连续变速型。在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。

3．按传动结构分类

（1）齿轮箱升速型。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）。由于叶尖速度的限制，风轮旋转速度一般较慢。风轮直径在100m以上时，风轮转速在15r/min或更低。为了使发电机的体积变小，就必须使发电机输入转速更高，这时就必须使用变速箱提高转速使得发动机输入转速在1500r/min或者3000r/min，这样，发电机体积就可以设计得尽可能小。

（2）直驱型。直接连接低速风力机和低速发电机（避免齿轮箱故障）。将叶轮和发电机直接连接在一起，这样的风力发电机称为无齿轮箱风力发电机。这种发电机由于没有齿轮箱，所以结构简单，制造方便，维护方便。

4．按发电机类型分类

（1）异步型。

1）笼型异步发电机。功率为600kW、750kW、800kW、1250kW，定子向电网输送不同频率的交流电。

2）绕线式双馈异步发电机。功率为1500kW，定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。

（2）同步型。

1）电励磁同步发电机。由外接转子上的直流电流产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。

2）永磁同步发电机。功率为750kW、1200kW、1500kW，由永磁体产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。

5．按并网方式分类

（1）并网型。并入电网，可省却储能环节。

（2）离网型。一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载或与柴油发电机、光伏电池并联运行。

6．按风力发电机的旋转轴分类

（1）水平轴风力发电机。该风力发电机旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平。

（2）垂直轴风力发电机。该风力发电机旋转轴与叶片平行，一般与地面垂直，旋转轴处于垂直。

目前占市场主流的是水平轴风力发电机，通常所说的风力发电机也是指水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用，但是用来发电还是近十几年才兴起的。与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不对风向、转速低、无噪声等优点，但同时也存在启动风速高、结构复杂等缺点，这都制约了垂直风力发电机的应用。