小型風力發(fā)電機的基本結構和特性

小型風力發(fā)電機的基本結構和特性小型風力發(fā)電機知識小型風力發(fā)電機的基本結構和特性目前，我國推廣應用最多的小型風力發(fā)電機，其機型是水平軸高速螺旋槳式風力發(fā)電機，因此，我們將重點介紹它的基本結構和特性。水平軸高速螺旋槳式風力發(fā)電機大致由以下幾個部分組成：風輪、發(fā)電機、回轉體、調(diào)速機構、調(diào)向機構（尾翼）、剎車機構、塔架「-其基本構造原理如圖4-3所示。1.風輪水平軸風力發(fā)電機的風輪是由1-4個葉片（大部分為2~3個葉片）和輪轂組成。其功能是將風能轉換為機械能，它是風力發(fā)電機從風中吸收能量的部件。葉片的結構一般有6種形式，如圖4-4所示?！瞓l部分實心dfHZM以解常雄用，酣末些淚源納料址充榔整接管地Cd]命就祖WffJI〔bl部分實心dfHZM以解常雄用，酣末些淚源納料址充榔整接管地Cd]命就祖WffJI【件■群窩芯葉片（r）A破嘛利蛙面的咆E[fl拒金的ROHlflf尚蜉空心梁（1）實心木制葉片。這種葉片是用優(yōu)質(zhì)木材，精心加工而成，其表面可以包上一層玻璃纖維或其他復合材料，以防雨水和塵土對木材的侵蝕，同時可以改善葉片的性能。有些大、中型風力機使用木制葉片時，不像小型風力機上用的葉片由整塊木料制作，而是用很多縱向木條膠接在一起（圖4-4a）。（2） 有些木制葉片的翼型后緣部分填充質(zhì)地很輕的泡沫塑料，表面再包以玻璃纖維形成整體（圖4-4b）。采用泡沫塑料的優(yōu)點不僅可以減輕重量，而且能使翼型重心前移（重心前移至靠前緣1/4弦長處最佳），這樣可以減少葉片轉動時所產(chǎn)生的不良振動。對于大、中型風力機葉片尤為重要。（3） 為了減輕葉片重量，有的葉片用一根金屬管作為受力梁，以蜂窩結構，泡沫塑料、輕木或其他材料作中間填充物，在其外面包上一層玻璃纖維（圖4-4c）。（4） 為了降低成本，有些中型風力機的葉片采用金屬擠壓件，或者利用玻璃纖維或環(huán)氧樹脂抽壓成型（圖4-4d），但整個葉片無法擠壓成漸縮形狀，即寬度、厚度等不能變化，難以達到高效率。（5） 有些小型風力機為了達到更經(jīng)濟的效果，葉片用管梁和具有氣動外型的玻璃纖維蒙皮做成。玻璃纖維蒙皮較厚，具有一定強度，同時，在玻璃纖維蒙皮內(nèi)可粘結一些泡沫材料的肋條（圖4-4e）。（6） 葉片用管梁、金屬肋條和蒙皮做成。金屬蒙皮做成氣動外型，用鉚釘和環(huán)氧樹脂將蒙皮、肋條和管梁粘結在一起（圖4-4f）。總的說來，除部分小型風力機的葉片采用木質(zhì)材料外，通常風力機的葉片采用玻璃纖維或高強度復合材料，而且葉片的材料也在不斷改進。具有流線型斷面的葉片，在一定條件下得到的升力比阻力大20多倍，是一種比較理想的葉型，圖4-5中的葉片結構型式就是流線型葉片。風力機葉片都裝在輪轂上。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件，所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳到風力機驅動的對象，同時輪轂也是控制葉片槳距（使葉片作俯仰轉動）的所在。輪轂要有足夠的強度，并力求結構簡單。在可能的條件下（如采用葉片失速控制），葉片采用定槳距結構，即將葉片固定在輪轂上〔無俯仰轉動〕，這樣不但能簡化結構號高壽命，而且能有效地降低成本。2.發(fā)電機（1）發(fā)電機的種類：小型風力發(fā)電機所用的發(fā)電機，可以是直流發(fā)電機，也可以是交流發(fā)電機。目前，小型風力發(fā)電機用的發(fā)電機芝部分是三相交流發(fā)電機。由于產(chǎn)生磁場的形式不同，三相交流發(fā)電機有永磁式和勵磁式，它們所產(chǎn)生的三相交流電都要通過整流二極管整流后輸出直流電。為便于安裝和維修，現(xiàn)在很多小型風力發(fā)電機，采用交流發(fā)電荷，將整流器安裝在控制器中。交流發(fā)電機與直流發(fā)電機相比方有體積小、重量輕、結構簡單、低速發(fā)電性能好等優(yōu)點。尤其是對周圍無線電設備的干擾要比直流發(fā)電機小得多，因此適合小型風力發(fā)電機使用。（2） 發(fā)電機的構造：交流發(fā)電機主要由轉子、定子、機殼和硅整流器一l 轉子：轉子做成犬齒交錯形的磁極。永磁式發(fā)電機的轉子磁極由永久磁鐵制成。勵磁式發(fā)電機的轉子磁極由兩塊低碳鋼制成。在磁極內(nèi)側空腔內(nèi)裝有勵磁線圈繞組，當通天勵磁電流時，便可產(chǎn)生磁場。l定子：定子由鐵芯和定子線圈組成。鐵芯由硅鋼片制成，在鐵芯槽內(nèi)繞有三組線圈蒲星形法連接，發(fā)電機工作時線圈內(nèi)便產(chǎn)生三相交流電。l 機殼：機殼是交流發(fā)電機的外殼，由金屬制成，它包括殼體和前后端蓋。如果將整流器裝在發(fā)電機中，裝有整流器的端蓋也口「整流端蓋。―l一整流器：整流器由六個硅整流二極管組成橋式全波整流線路。它的作用是將三相交流轉變?yōu)橹绷?，可以很方便地將它儲存在蓄電池中。現(xiàn)在，很多生產(chǎn)廠家采用虱封裝的整流橋模塊，簡化了電路、提高了可靠性、降低了成本。（3） 發(fā)電機的功率：發(fā)電機的額定功率是指發(fā)電機在額定轉速下輸出的功率岳于風速不是一個穩(wěn)定值，因而發(fā)電機轉速會隨風速而變化，因此輸出功率也會隨風速變化。當風速低于設計風速時，發(fā)電機的實際輸出功率將達不到額定值；當風速高于設計風速時，實際輸出功率將高于額定值。表4-1為FD2-100型風力發(fā)電機在不同風速下的輸出功率。從表4-2可看出該機的額定功率100瓦是指在設計風速6米/秒時，風力發(fā)電機所輸出的功率。最大輸出功率可達180、190瓦。當然，由于風力發(fā)電機的限速和調(diào)速裝置及發(fā)電機本身設計參數(shù)的限制，發(fā)電機的輸出功率不會無限增大，只能在某一范圍內(nèi)變動。

HUNJOTgm電機在樸腿卜的曲出53s纏3.回轉體3.回轉體回轉體是小型風力發(fā)電機的重要部件之一。其作用是支撐安裝發(fā)電機、風輪和尾翼調(diào)速機構等，并保證上述工作部件按照各自的工作特點隨著風速、風向的變化在機架上端自由回轉，小型風力發(fā)電機回轉體的結構和安裝方式種類各異。其中，偏心并尾式I轉體目前在我轉體的結構和安裝方式種類各異。其中，偏心并尾式I轉體目前在我國應用比較廣泛，其結構要素可歸納如下，見圖4-5。（1）風輪的仰角：為了提高風輪的工作性能，在回轉體上平面與水平面間設計有5~10度的夾角。發(fā)電機安裝在回轉體上平面，這樣發(fā)電機軸（也就是風輪軸）就有一個5~10度的仰角、從而提高了風輪工作的穩(wěn)定性和可靠性。（2）風輪軸與回轉體中心偏心距：風輪軸與回轉中心偏心距是小型風力發(fā)電機調(diào)速機構準確調(diào)速的重要結構參數(shù)。當風速達到限速風速時，此偏心距能準確地產(chǎn)生一個迫使風輪扭轉的力矩，使風輪立即開始側偏調(diào)整。如果風速繼續(xù)增大，風輪扭轉力矩也增大，風輪繼續(xù)側偏，直至達到限速停車的極限位置。（3）尾翼后傾角麗偏角：尾翼與回轉體上的尾翼連接耳通過銷軸聯(lián)結，而此銷軸在安裝時即有一個設計好的空間后傾角和側偏角，一由于這一空間后傾角和側偏角的存在，當風輪側偏調(diào)速時，尾翼逐漸翹起，翹起的尾翼在其重力的作用下企圖恢復到原來位置，一旦風速減小，尾翼重力作用下的恢復力矩迫使尾翼回到原來位置，使風輪迎風。4.調(diào)速機構由于自然界的風具有不穩(wěn)定性、脈動性，風速時大時小，有時還會出現(xiàn)強風和暴風，而風力發(fā)電機葉輪的轉速又是隨著風速的變化而變化的，如果沒有調(diào)速機構，風力發(fā)電機葉輪的轉速將隨著風速的增大而越來越高。這樣，葉片上產(chǎn)生的離心力會迅速加大，以至損壞葉輪。另外，隨著風速增大，葉輪轉速增蒿的商時，風力發(fā)電機的輸出功率也必然增大，而風力發(fā)電機的轉子線圈和其他電子元件的超載能~力是有一定限度的，是不能隨意增加的。因此風力發(fā)電機若要有一^穩(wěn)定的功率輸出，就必須設置調(diào)速機構。小型風力發(fā)電機常用的調(diào)速方法有三種：風輪側偏調(diào)速法；槳葉側偏調(diào)速法；空氣制動調(diào)速法。速達到限速風速時，通過扭轉風輪迫使其順著風向側偏，減小風輪迎風面積，從而達到調(diào)速的目的巽種調(diào)速方法有兩種，一種是借助“側翼”來實現(xiàn)風輪側偏調(diào)速；另一種是利用〃偏心”的辦法進行調(diào)

側翼調(diào)速法：就是在風輪后面與風輪回轉面平行安裝一個側翼，其側翼梁應平行于地面。側翼板伸到風輪回轉直徑之外，并與回轉面平行。側翼的迎風面積，以當風速達限速風速時側翼板上的風壓足以使風輪扭轉限速為標準，通過嚴格的設計和試驗確定，不可隨意變動。調(diào)速原理如圖4-6a所示，當風速還沒有達到限速風速時，風輪將在尾翼的作用下處在正對風向的位置，也就是工作的位置。當風速達到或超過限速風速時，側翼板上受到的風壓足以克服彈簧或配重的拉力，驅使風輪順著風向扭轉一個角度施之與尾翼（調(diào)向機構）靠近。此時由于風輪迎風角度的改變，迎風面積變小，轉速也就隨之降了下來，達到了調(diào)速的目的。當風速繼續(xù)增大，以至達到剎車風速或超過剎車風速時，風輪將扭轉到與尾翼完全靠攏的位置，也就是完全順富風向的位置，停止轉動，達到剎車的目的。風輪扭轉后回位是靠側翼相對一側的彈簧或配重來實現(xiàn)的，也就是當風速減小到彳低于限速風速時，彈簧或配重將拉著機頭回到原來的位置。偏心調(diào)速法：所謂偏心，就是指風力發(fā)電機風輪水平旋轉軸與風力發(fā)電機機頭的垂直旋轉軸有一距離，此距離稱為偏心距。當風大時，此偏心距可促使風輪產(chǎn)生一個順著風向扭轉的力矩。這種調(diào)速法的優(yōu)點是結構簡單。目前我國大多數(shù)小型風力發(fā)電機都采用了風輪偏心調(diào)速方式，其工作原理如圖4-6b所示。風輪軸與機頭回轉中心有一偏心距e，所以當風速作用于風輪上時即產(chǎn)生了一個迫使風輪扭轉的力矩Me，當風速還沒有達到限速時，Me小于機頭支座中的摩擦力矩Mf，此時風力發(fā)電機處于圖4-6b1工作狀態(tài)，當風速增大時，作用于風輪上的風壓亦增大，偏心力矩Me也就增大，若Me大于摩擦力矩Mf時，風輪即開始側偏，如圖4-6b2所示。如果這時風速保持定值，由于風輪已經(jīng)側偏，風輪所受風壓也就減小，風輪轉速相應降低，從而達到調(diào)速的目的。這時偏心力矩Me與摩擦力矩Mf平衡；如果風速繼續(xù)增加，即偏心力矩Me繼續(xù)增大，風輪繼續(xù)側偏，其極限位置如圖4-6b3所示。需要說明一點，即尾翼與機頭通過銷軸關結，而此銷軸在設計安裝時就有一個空間后傾角和側偏角，由于這一空間后傾角和側偏角的存在，風輪側偏調(diào)速時，尾翼逐漸翹起，翹起的尾翼在其重力的作用下企圖恢復到原來位置，一旦風速減小到某一值時，在尾翼重力產(chǎn)生的恢復力矩作用下即可迫使風輪迎風繼續(xù)旋轉。(2)槳葉側偏式調(diào)速法(變槳距調(diào)速法)：變槳距調(diào)速法就是當風速達到限速風速時，迫使槳葉繞葉柄轉過一個角度，以改變槳葉的沖角，從而改變槳葉的升力與阻力，達到調(diào)速的目的。ffl4-7n>2-Itt型做力發(fā)電機變槳fc調(diào)速機構 i?rnl?rk\iiLJbrh■￡A.JkFI聲4^l.nr:rbr<rJ-圖4-7為FD2-100型風力發(fā)電機變槳距調(diào)速機構。彈簧套筒內(nèi)裝有啟動彈簧6和調(diào)速彈簧5,槳葉在安裝時有一較大的安裝角，便于低風速時啟動。風輪旋轉起來后，在離心力的作用下，槳葉向夕卜拉伸壓縮啟動彈簧6，同時在螺旋副的作用下，槳葉扭轉很快進入最佳沖角狀態(tài)。如果風速繼續(xù)增加，則槳葉的離心力亦增大，此時調(diào)速彈簧5開始工作。同樣道理，在離心力作用下，槳葉向夕卜拉伸（帶動槳葉軸亦向夕卜拉伸），由于螺旋副的作用，槳葉扭轉以至達到負沖角，風輪轉速顯著降低，達到調(diào)速的目的。當風速降低時，在彈簧張力的作用下，槳葉恢復到調(diào)速狀態(tài)前的工作位置。這樣就使風輪轉速保持在一定的范圍內(nèi)工作。氣制動調(diào)速法：空氣制動調(diào)速法就是在槳葉上采用增大槳葉阻力的方法以獲得調(diào)速的目的。一大阻力最簡單的裝置是空氣制動器，如在槳葉上裝上襟翼，如圖4-8。襟翼2固定裝在軸5上，并裝在槳葉的兩面，軸5為與拉桿4相連的杠桿3所轉動，拉桿4的外端裝有重塊1,在拉桿4的另一端接上彈簧6及環(huán)狀杠桿7，杠桿的環(huán)活動地裝在風輪軸上。在正常轉速時，襟翼2與氣流并行，所以不會產(chǎn)生多大的阻力。要是風輪的角速度大于正常速度時，在離心力作用下，重塊1開始沿徑向向槳葉外端移動，通過拉桿4的作用轉動襟翼的軸使其平面與旋轉方向相反。此時阻力增加而將風輪制動，當風速減小時，彈簧6則將襟翼回轉至原來的位置。5.調(diào)向機構為什么要設置調(diào)向機構呢？大家知道，風力發(fā)電機是靠風的能量發(fā)電的，而風輪捕獲風能的大小與風輪的垂直迎風面積成正比，也就是說，對于某一個風輪，當它垂直風向時（正面迎風）捕獲的風能就多；而當它不是正面迎風時，所捕獲的風能相對就少；當風輪與風向平行時，就捕獲不到風能。所以，風力發(fā)電機必須設置調(diào)向機構，使風輪最大程度地保持迎風狀態(tài)，以獲取盡可能多的風能，從而輸出較大的電能，調(diào)向機構對于小型風力發(fā)電機來說，一般采用“尾翼調(diào)向”。尾翼主要用在小型風力發(fā)電機上，由尾翼梁、尾翼板等組成，一般安裝在主風輪后面，并與主風輪回轉面垂直。其調(diào)向原理是：風力發(fā)電機工作時，尾翼板始終順著風向，也就是與風向平行。這是由邑翼梁的長度和尾翼板的順風面積決定的，當風向偏轉時尾翼板所受成壓作用而產(chǎn)生的力矩足以使機頭轉動，從而使風輪處在迎風位置。尾翼板的形狀如圖4-9所示，a為舊式風力發(fā)電機使用的形式，b是a的改進型，c對風向的變化最敏感，靈敏性好，是最好的形狀。c尾翼有最大的翼展弦長比，這種尾翼的設計和滑翔機翼一樣，能充分地利用上升的氣流頂際上尾翼的翼展和弦長的比在