第二講-風力機的能量轉(zhuǎn)換過程及基本特性

風力機的能量轉(zhuǎn)換過程一風力機的特性二風力機建模與仿真三主要內(nèi)容風輪機的結(jié)構(gòu)和能量控制四現(xiàn)在是1頁\一共有54頁\編輯于星期二第一節(jié)風輪機的基本理論一、理想風輪機的能量利用1919年，德國物理學家貝茲首次提出貝茲法則：如果采用風輪機，只能把不足16/27的風的動能轉(zhuǎn)化成機械能。假設(shè)風輪是理想的，且由無限多葉片組成，氣流通過風輪時也沒有阻力。此外，假定氣流經(jīng)過整個掃風面是均勻的，氣流通過風輪前后的速度方向為軸向。理想的風輪的氣流模型如圖所示。現(xiàn)在是2頁\一共有54頁\編輯于星期二現(xiàn)在是3頁\一共有54頁\編輯于星期二現(xiàn)在是4頁\一共有54頁\編輯于星期二現(xiàn)在是5頁\一共有54頁\編輯于星期二這就是著名的貝茲理論，他說明風輪從自然界中獲得的能量是有限的，理論上最大值為0.593，損失部分可解釋為留在尾跡中的氣流旋轉(zhuǎn)動能?，F(xiàn)在是6頁\一共有54頁\編輯于星期二1.風能利用系數(shù)Cp風能利用系數(shù)定義為風輪機的風輪能夠從自然風能中吸收的能量與輸入風能之比。風能利用系數(shù)可表示為第二節(jié)風輪機的空氣動力特性現(xiàn)在是7頁\一共有54頁\編輯于星期二理想的風能利用系數(shù)Cp的最大值是0.593，即貝茲理論的極限值。Cp值越大，表示風輪機能夠從自然界中獲得的能量百分比越大，風輪機的效率越高，即風輪機對風能的利用率也越高。對實際有用的風輪機來說，風能利用系數(shù)主要取決與風輪葉片的氣動和機構(gòu)設(shè)計及制造工藝水平。如高性能螺旋槳式風力機，其Cp值一般是0.45，而阻力型風輪機只有0.15左右。現(xiàn)在是8頁\一共有54頁\編輯于星期二2.葉尖速比現(xiàn)在是9頁\一共有54頁\編輯于星期二風能利用系數(shù)和無因次數(shù)隨葉尖速比變化的曲線成風輪機空氣動力特性曲線現(xiàn)在是10頁\一共有54頁\編輯于星期二變槳距風力機的特性通常由一簇風能利用系數(shù)的無因次性能曲線來表示，如圖2.2所示。風能利用系數(shù)CP是葉尖速比λ的函數(shù)(表示為CP(λ))，也是槳葉節(jié)距角β的函數(shù)(表示為CP(β))，綜合起來可表示為CP(λ，β)。從圖中可以看到，當槳葉節(jié)距角β逐漸增大時，CP(λ)曲線將顯著縮小?，F(xiàn)在是11頁\一共有54頁\編輯于星期二風力機的風能利用系數(shù)只有在一個特定的最優(yōu)尖速比下才達到最大值，當風速變化時，如果風力發(fā)電機組仍然保持某一固定的轉(zhuǎn)速ω，那么必將偏離其最優(yōu)值，從而使Cp降低，即降低了風力機的風能利用效率。所以，為了提高風能利用效率，必須使得風速變化時機組的轉(zhuǎn)速也隨之變化從而保持最優(yōu)尖速比現(xiàn)在是12頁\一共有54頁\編輯于星期二風力機的穩(wěn)態(tài)特性由葉尖速比λ、風力機轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT(λ，β)、風能利用系數(shù)CP(λ，β)、風輪捕獲功率P表示，分別為:現(xiàn)在是13頁\一共有54頁\編輯于星期二第三節(jié)風力機的建模和仿真風力機的穩(wěn)態(tài)特性可以通過數(shù)值表得到，但是為了便于軟件模擬器的執(zhí)行，更希望得到特性的分析表達式，而不是采用數(shù)據(jù)插值法。根據(jù)文獻，CP(λ，β)為：式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。

現(xiàn)在是14頁\一共有54頁\編輯于星期二當槳矩角β恒定時，在不同的風速下，只要控制風力機能使其保持在最佳葉尖速比λ下運行，從而可以確保風力機能取得風能利用系數(shù)CP(λ，β)，實現(xiàn)變速風力機的最大功率捕獲[17]，同時增大槳矩角β會減少風能利用系數(shù)CP(λ，β)，減少捕獲的能量。根據(jù)式計算可以得到當λ=8.1時，CP(λ，β)≈0.48[16]。

現(xiàn)在是15頁\一共有54頁\編輯于星期二風能利用系數(shù)CP(λ，β)模型

式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。

現(xiàn)在是16頁\一共有54頁\編輯于星期二風力機模型現(xiàn)在是17頁\一共有54頁\編輯于星期二仿真結(jié)果a)模擬變速風速圖b)風能利用系數(shù)曲線c)風力機功率輸出曲線現(xiàn)在是18頁\一共有54頁\編輯于星期二第四節(jié)風力機的結(jié)構(gòu)和能量控制１．風輪機的機構(gòu)風輪機設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)包括風輪機槳葉：通常采用３個或兩個槳葉。輪轂：槳葉安裝在輪轂上，輪轂與低速軸相連接。低速傳動軸：轉(zhuǎn)速通常較低，內(nèi)部的液壓傳動系統(tǒng)與輪轂內(nèi)的液壓裝置相連用于調(diào)節(jié)槳葉。齒輪箱：與低速軸和高速軸相連接高速軸：通常轉(zhuǎn)速在1500r/min左右，與發(fā)電機相連，配有剎車裝置。機械剎車裝置：用于制動，必要時用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)在是19頁\一共有54頁\編輯于星期二風力發(fā)電機機艙內(nèi)的組成

現(xiàn)在是20頁\一共有54頁\編輯于星期二GEProprietary現(xiàn)在是21頁\一共有54頁\編輯于星期二發(fā)電機：輸出電壓一般為690V,發(fā)電功率在500~1500kW,并朝大容量方向發(fā)展。電子控制裝置：監(jiān)測風輪機運行狀況，并自動實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，故障時實現(xiàn)自動停機。冷卻系統(tǒng)：冷卻發(fā)電機。機塔：用于支撐風輪機。通常高度越高，風速越大，風況越好，需要更高的機塔。偏轉(zhuǎn)裝置：保持風輪機在迎風方向。風速風向測量系統(tǒng)：與控制裝置相連，實現(xiàn)風輪機切入和切出的啟?？刂啤，F(xiàn)在是22頁\一共有54頁\編輯于星期二機艙：機艙包容著風電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風電機塔進入機艙。機艙左端是風電機轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600千瓦風電機上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設(shè)計得很象飛機的機翼。

軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風電機的低速軸上。低速軸：風電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管，來激發(fā)空氣動力閘的運行。風電機結(jié)構(gòu)

大部分風電機具有恒定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子葉片末的轉(zhuǎn)速為64米/秒，在軸心部分轉(zhuǎn)速為零。距軸心四分之一葉片長度處的轉(zhuǎn)速為16米/秒。圖中的黃色帶子比紅色帶子，被吹得更加指向風電機的背部,這是因為葉片末端的轉(zhuǎn)速是撞擊風電機前部的風速的八倍。風力發(fā)電技術(shù)為什么轉(zhuǎn)子葉片呈螺旋狀？

大型風電機的轉(zhuǎn)子葉片通常呈螺旋狀。從轉(zhuǎn)子葉片看過去，并向葉片的根部移動，直至到轉(zhuǎn)子中心，風從很陡的角度進入（比地面的通常風向陡得多）,如果葉片從特別陡的角度受到撞擊，轉(zhuǎn)子葉片將停止運轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子葉片需要被設(shè)計成螺旋狀，以保證葉片后面的刀口，沿地面上的風向被推離。

現(xiàn)在是23頁\一共有54頁\編輯于星期二齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。

高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風電機被維修時。

發(fā)電機：通常被稱為感應電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。圖中顯示了風電機偏航。通常，在風改變其方向時，風電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。

電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風電機的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風電機操作員。

液壓系統(tǒng)：用于重置風電機的空氣動力閘。

冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發(fā)電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風電機具有水冷發(fā)電機。

塔：風電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大?，F(xiàn)代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是桁架結(jié)構(gòu)的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為可以通過內(nèi)部的梯子到達塔頂。桁架結(jié)構(gòu)的塔則比較便宜。

風速計及風向標：用于測量風速及風向。

風電機發(fā)電機:將機械能轉(zhuǎn)化為電能。風電機上的發(fā)電機與你通常看到的電網(wǎng)上的發(fā)電設(shè)備相比有點不同。原因是，發(fā)電機需要在波動的機械能條件下運轉(zhuǎn)。

輸出電壓

大型風電機（100-150千瓦）通常產(chǎn)生690V的三相交流電。然后電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至一萬至三萬伏，這取決于當?shù)仉娋W(wǎng)的標準。

大型制造商可以提供50赫茲風電機類型（用于世界大部分的電網(wǎng)），或60赫茲類型（用于美國電網(wǎng)）。

冷卻系統(tǒng)

發(fā)電機在運轉(zhuǎn)時需要冷卻。在大部分風電機上，發(fā)電機被放置在管內(nèi)，并使用大型風扇來空冷；一部分制造商采用水冷。水冷發(fā)電機更加小巧，而且電效高，但這種方式需要在機艙內(nèi)設(shè)置散熱器，來消除液體冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。

啟動及停止發(fā)電機

如果通過彈開一個普通開關(guān)將大型風電機發(fā)電機與電網(wǎng)連接或解開，很可能會損毀發(fā)電機、齒輪箱及鄰近電網(wǎng)?，F(xiàn)在是24頁\一共有54頁\編輯于星期二發(fā)電機電網(wǎng)的設(shè)計

風電機可以使用同步或異步發(fā)電機，并直接或非直接地將發(fā)電機連接在電網(wǎng)上。直接電網(wǎng)連接指的是將發(fā)電機直接連接在交流電網(wǎng)上。非直接電網(wǎng)連接指的是，風電機的電流通過一系列電力設(shè)備，經(jīng)調(diào)節(jié)與電網(wǎng)匹配。采用異步發(fā)電機，這個調(diào)節(jié)過程自動完成。

轉(zhuǎn)子葉片

◢轉(zhuǎn)子葉片輪廓（橫切面）——風電機轉(zhuǎn)子葉片看起來像航行器的機翼。實際上，設(shè)計師通常將葉片最遠端的部分的橫切面設(shè)計得類似于正統(tǒng)飛機的機翼。但是葉片內(nèi)端的厚輪廓，通常是專門為風電機設(shè)計的。為轉(zhuǎn)子葉片選擇輪廓涉及很多折衷的方面，諸如可靠的運轉(zhuǎn)與延時特性。葉片的輪廓設(shè)計，即使在表面有污垢時，葉片也可以運轉(zhuǎn)良好。

◢轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)——大型風電機上的大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強化塑料（GRP）制造。采用碳纖維或芳族聚酰胺作為強化材料是另外一種選擇，但這種葉片對大型風電機是不經(jīng)濟的。木材、環(huán)氧木材、或環(huán)氧木纖維合成物目前還沒有在轉(zhuǎn)子葉片市場出現(xiàn)，盡管目前在這一領(lǐng)域已經(jīng)有了發(fā)展。鋼及鋁合金分別存在重量及金屬疲勞等問題，他們目前只用在小型風電機上。

風電機齒輪箱

為什么要使用齒輪箱？

風電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量，通過主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發(fā)電機。

為什么要使用齒輪箱？為什么我們不能通過主軸直接驅(qū)動發(fā)電機？

如果我們使用普通發(fā)電機，并使用兩個、四個或六個電極直接連接在50赫茲交流三相電網(wǎng)上，我們將不得不使用轉(zhuǎn)速為1000至3000rpm的風電機。對于43米轉(zhuǎn)子直徑的風電機，這意味著轉(zhuǎn)子末端的速度比聲速的兩倍還要高。另外一種可能性是建造一個帶許多電極的交流發(fā)電機。但如果你要將發(fā)電機直接連在電網(wǎng)上，你需要使用200個電極的發(fā)電機，來獲得30轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速。另外一個問題是，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量需要與轉(zhuǎn)矩大小成比例。因此直接驅(qū)動的發(fā)電機會非常重。

使用齒輪箱，你可以將風電機轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。風電機上的齒輪箱，通常在轉(zhuǎn)子及發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間具有單一的齒輪比。對于600千瓦或750千瓦機器，齒輪比大約為1比50。

下圖顯示了用于風電機的1.5兆瓦的齒輪箱。這個齒輪箱有些不同尋常，因為在高速點的兩個發(fā)電機上安裝有法蘭。右側(cè)安裝在發(fā)電機下的橙黃色配件，是液壓驅(qū)動的緊急盤狀剎車。在背景處可以看到用于1.5MW風電機的機艙的下半部分

現(xiàn)在是25頁\一共有54頁\編輯于星期二風電機偏航裝置

◢風電機偏航裝置用于將風電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到迎風的方向。

◢偏航誤差——當轉(zhuǎn)子不垂直于風向時，風電機存在偏航誤差。偏航誤差意味著，風中的能量只有很少一部分可以在轉(zhuǎn)子區(qū)域流動。如果只發(fā)生這種情況，偏航控制將是控制向風電機轉(zhuǎn)子電力輸入的極佳方式。但是，轉(zhuǎn)子靠近風源的部分受到的力比其它部分要大。一方面，這意味著轉(zhuǎn)子傾向于自動對著風偏轉(zhuǎn)，逆風或順風的汽輪機都存在這種情況。另一方面，這意味著葉片在轉(zhuǎn)子每一次轉(zhuǎn)動時，都會沿著受力方向前后彎曲。存在偏航誤差的風電機，與沿垂直于風向偏航的風電機相比，將承受更大的疲勞負載。◢偏航機構(gòu)——幾乎所有水平軸的風電機都會強迫偏航。即，使用一個帶有電動機及齒輪箱的機構(gòu)來保持風電機對著風偏轉(zhuǎn)。上右圖顯示的是750千瓦風電機上的偏航機構(gòu)。我們可以看到環(huán)繞外沿的偏航軸承，及內(nèi)部偏航馬達及偏航閘的輪子。幾乎所有逆風設(shè)備的制造商都喜歡在不需要的情況下，停止偏航機構(gòu)。偏航機構(gòu)由電子控制器來激發(fā)。

電纜扭曲計數(shù)器

電纜用來將電流從風電機運載到塔下。但是當風電機偶然沿一個方向偏轉(zhuǎn)太長時間時，電纜將越來越扭曲。因此風電機配備有電纜扭曲計數(shù)器，用于提醒操作員應該將電纜解開了。類似于所有風電機上的安全機構(gòu)，系統(tǒng)具有冗余。風電機還會配備有拉動開關(guān)，在電纜扭曲太厲害時被激發(fā)?，F(xiàn)在是26頁\一共有54頁\編輯于星期二風力機設(shè)計內(nèi)容一、葉片設(shè)計與分析葉片的設(shè)計目標為：最大化風能利用系數(shù)最大功率輸出限制(失速型風機)能承受極限載荷和疲勞載荷限制葉尖位移，防止葉片折斷(上風向型風機)避免共振最小化重量和成本葉片設(shè)計包括其空氣動力學設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，空氣動力學設(shè)計可使葉片滿足設(shè)計目標中的(1)和(2)點，設(shè)計內(nèi)容包括葉片的截面幾何尺寸優(yōu)化，以及扭曲和厚度分布。葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容包括材料選擇，內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)設(shè)計，使葉片滿足設(shè)計目標中的(3)~(6)。葉片動力學分析葉片的防雷擊保護現(xiàn)在是27頁\一共有54頁\編輯于星期二2、偏航系統(tǒng)設(shè)計偏航系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)機艙，能使風力機葉片的掃掠面與風速垂直，最大限度地吸收風能，同時為了防止機艙因風向變化而搖擺，偏航系統(tǒng)安裝有制動器?，F(xiàn)在是28頁\一共有54頁\編輯于星期二3、變槳距系統(tǒng)設(shè)計主動變槳控制是為保證風速超過額定風速時，通過旋轉(zhuǎn)葉片角度而減小其迎角，限制風輪轉(zhuǎn)速，從而最終限制發(fā)電機功率輸出。大型風機由于葉片較大，需要單獨的電機驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動，但對于100kW的中型風機，考慮用一個液壓缸同時驅(qū)動三個葉片轉(zhuǎn)動，這樣可將液壓缸放置在機艙中，通過連桿作用在輪轂中的葉片上，可減省電氣引線環(huán)和兩套控制器的成本，同時有利于保持三葉片的協(xié)調(diào)性。4、塔架設(shè)計為了讓風力發(fā)電機組接收到更多的風能，將機艙裝在一定高度的塔架上。由于葉片和機艙對風的阻力對塔架產(chǎn)生的傾覆力矩，以及非周期載荷對塔架產(chǎn)生的振動，因此塔架的設(shè)計必須考慮其機械強度和疲勞強度。5、塔架基礎(chǔ)設(shè)計現(xiàn)在是29頁\一共有54頁\編輯于星期二偏航機械系統(tǒng)的作用其一是與風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風力發(fā)電機組的風輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率；其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風力發(fā)電機組的安全運行。主要作用有兩個：現(xiàn)在是30頁\一共有54頁\編輯于星期二偏航機械系統(tǒng)的種類風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)一般分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)。被動偏航指的是依靠風力通過相關(guān)機構(gòu)完成機組風輪對風動作的偏航方式，常見的有尾舵（用于小微型風力機）和舵輪（用于中小型風機）兩種?，F(xiàn)在是31頁\一共有54頁\編輯于星期二主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風動作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動兩種形式。對于并網(wǎng)型風力發(fā)電機組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。主動偏航機械系統(tǒng)組成主動偏航機械系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航液壓回路、偏航計數(shù)器、紐纜保護裝置等幾個部分組成?，F(xiàn)在是32頁\一共有54頁\編輯于星期二1000kw風力機偏航機械系統(tǒng)德國富蘭德公司1000KW風力發(fā)電機（主動）

現(xiàn)在是33頁\一共有54頁\編輯于星期二主動偏航機械系統(tǒng)組成一、偏航軸承

偏航軸承的軸承內(nèi)外圈分別與機組的機艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內(nèi)齒或外齒形式。外齒形式是輪齒位于偏航軸承的外圈上，加工相對來說比較簡單；內(nèi)齒形式是輪齒位于偏航軸承的內(nèi)圈上，嚙合受力效果較好，結(jié)構(gòu)緊湊。具體采用內(nèi)齒形式或外齒形式根據(jù)機組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進行選擇?，F(xiàn)在是34頁\一共有54頁\編輯于星期二主動偏航機械系統(tǒng)組成二、驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置一般由驅(qū)動電動機或驅(qū)動馬達、減速器、傳動齒輪、輪齒間隙調(diào)整機構(gòu)等組成。驅(qū)動裝置的減速器一般可采用行星減速器或蝸輪蝸桿與行星減速器串聯(lián)；傳動齒輪一般采用漸開線圓柱齒輪。現(xiàn)在是35頁\一共有54頁\編輯于星期二主動偏航機械系統(tǒng)組成三、偏航制動器偏航制動器一般采用液壓拖動的鉗盤式制動器，由制動鉗和制動盤組成。在機組偏航過程中，制動器提供的阻尼力矩應保持平穩(wěn)。制動器可以采用常閉式和常開式兩種結(jié)構(gòu)形式，常閉式制動器是在有動力的條件下處于松開狀態(tài)，常開式制動器則是處于鎖緊狀態(tài)。兩種形式相比較并考慮失效保護，一般采用常閉式制動器?，F(xiàn)在是36頁\一共有54頁\編輯于星期二低于額定風速時,利用變速恒頻技術(shù)對發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行控制,使風能利用系數(shù)為最大值,充分地利用風能；高于額定風速時,利用變槳距機構(gòu)對槳葉的節(jié)距角進行控制,使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。風力機空氣動力特性出發(fā),提出了變速恒頻風力機在低于額定風速和高于額定風速階段的變槳距控制策略：變槳系統(tǒng)

現(xiàn)在是37頁\一共有54頁\編輯于星期二

液壓執(zhí)行機構(gòu)：優(yōu)點：響應頻率快、扭矩大、便于集中布置和集成化應用：適合于大型風力機的場合電機執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、能對槳葉進行單獨控制

常用的變槳距機構(gòu)：現(xiàn)在是38頁\一共有54頁\編輯于星期二變槳距控制電機執(zhí)行機構(gòu)每個槳葉采用一個伺服電機進行單獨調(diào)節(jié)。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連,直接對槳葉的節(jié)距角進行控制。由于大功率風力機的槳葉很長,而風速一般隨著高度的增加而增加,在整個風輪掃及面積上的風速不是平均的,因此對單一槳葉控制是有利于最大限度利用風能,減小振動。如圖所示現(xiàn)在是39頁\一共有54頁\編輯于星期二

葉片長度從1980年的4.5m發(fā)展到今天的60余米，容量從當初的55kW發(fā)展到今天的2MW以上。其結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了如下發(fā)展過程：

鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片鋁合金等弦長擠壓成型葉片玻璃鋼葉片玻璃鋼復合葉片碳纖維(CF)復合葉片風力發(fā)電機葉片設(shè)計現(xiàn)在是40頁\一共有54頁\編輯于星期二1、基于空氣動力學的外殼造型設(shè)計確定其截面幾何尺寸、扭曲、厚度分布，以滿足最大風能利用系數(shù)、最大功率輸出限制等要求?，F(xiàn)在是41頁\一共有54頁\編輯于星期二2、基于材料性能、加工特性和成本控制的材料選擇

20世紀70年代的風力機葉片主要由鋼材、鋁材或木材制成。由于玻璃鋼的比強度和比模量、耐久性、耐氣候性和耐腐蝕性都非常突出，足以用作戶外的結(jié)構(gòu)材料，所以目前80%選材為玻璃鋼復合材料，以E-玻纖增強塑料(GFRP)居多。目前碳纖維復合材料(CFRP)也已開始采用，但價格昂貴?，F(xiàn)在是42頁\一共有54頁\編輯于星期二3、基于強度、剛度和振動理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計

確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式及尺寸，以滿足極限狀態(tài)和疲勞過程的承載能力、葉尖位移限制、防共振、輕量化及成本控制等要求。

現(xiàn)在是43頁\一共有54頁\編輯于星期二現(xiàn)在是44頁\一共有54頁\編輯于星期二（二）選型設(shè)計內(nèi)容

1、葉片類型選擇2、基于系統(tǒng)工作要求的主要性能參數(shù)設(shè)計計算（材料、長度、直徑、掃風面積……）3、規(guī)格型號、生產(chǎn)廠家選擇

目前國內(nèi)已上馬葉片生產(chǎn)企業(yè)超過50家現(xiàn)在是45頁\一共有54頁\編輯于星期二

目前葉片主要是玻璃鋼復合葉片，大多采用截面逐漸變小的型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁、葉根與輪轂連接用圓形金屬結(jié)構(gòu)，表面纏繞玻璃纖維并涂樹脂，普遍采用的是玻璃纖維增強聚酯樹脂、玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂和碳纖維增強環(huán)氧樹脂。目前葉片類型現(xiàn)在是46頁\一共有54頁\編輯于星期二現(xiàn)在是47頁\一共有54頁\編輯于星期二風輪機的設(shè)計思想是盡可能便宜的產(chǎn)生電能。風輪機的設(shè)計是基于目標風場的風速條件，因此風輪機一般被設(shè)計成在風速為8~15m/s時具有最佳的性能，即有最大的電能產(chǎn)出。而不是花費心思把風機設(shè)計在強風是有最多電能產(chǎn)出，因為強風天氣不多見。因此在強風天氣時必須浪費多余風能，以免破壞風機。所以風機設(shè)計有能量控制裝置，安全控制方式有如下幾種。風力機的能量控制現(xiàn)在是48頁\一共有54頁\編輯于星期二(1)被動失速控制風輪機被動失速控制風輪機的槳葉被固定，契角不可變。通過適當設(shè)計風輪機的槳葉，根據(jù)空氣動力