風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本的原理和運(yùn)行特性

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本的原理和運(yùn)行特性風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程一風(fēng)力機(jī)的特性二風(fēng)力機(jī)建模與仿真三主要內(nèi)容風(fēng)輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和能量控制四第一節(jié) 風(fēng)輪機(jī)的基本理論一、理想風(fēng)輪機(jī)的能量利用1919年，德國(guó)物理學(xué)家貝茲首次提出貝茲法則：如果采用風(fēng)輪機(jī)，只能把不足16/27的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。假設(shè)風(fēng)輪是理想的，且由無(wú)限多葉片組成，氣流通過(guò)風(fēng)輪時(shí)也沒(méi)有阻力。此外，假定氣流經(jīng)過(guò)整個(gè)掃風(fēng)面是均勻的，氣流通過(guò)風(fēng)輪前后的速度方向?yàn)檩S向。理想的風(fēng)輪的氣流模型如圖所示。這就是著名的貝茲理論，他說(shuō)明風(fēng)輪從自然界中獲得的能量是有限的，理論上最大值為，損失部分可解釋為留在尾跡中的氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。1.風(fēng)能利用系數(shù)Cp風(fēng)能利用系數(shù)定義為風(fēng)輪機(jī)

2、的風(fēng)輪能夠從自然風(fēng)能中吸收的能量與輸入風(fēng)能之比。風(fēng)能利用系數(shù)可表示為第二節(jié) 風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力特性理想的風(fēng)能利用系數(shù)Cp的最大值是，即貝茲理論的極限值。Cp值越大，表示風(fēng)輪機(jī)能夠從自然界中獲得的能量百分比越大，風(fēng)輪機(jī)的效率越高，即風(fēng)輪機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率也越高。對(duì)實(shí)際有用的風(fēng)輪機(jī)來(lái)說(shuō)，風(fēng)能利用系數(shù)主要取決與風(fēng)輪葉片的氣動(dòng)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝水平。如高性能螺旋槳式風(fēng)力機(jī)，其Cp值一般是，而阻力型風(fēng)輪機(jī)只有左右。2.葉尖速比風(fēng)能利用系數(shù)和無(wú)因次數(shù)隨葉尖速比變化的曲線成風(fēng)輪機(jī)空氣動(dòng)力特性曲線變槳距風(fēng)力機(jī)的特性通常由一簇風(fēng)能利用系數(shù)的無(wú)因次性能曲線來(lái)表示，如圖所示。風(fēng)能利用系數(shù)CP是葉尖速比的函數(shù)(表示為C

3、P()，也是槳葉節(jié)距角的函數(shù)(表示為CP()，綜合起來(lái)可表示為CP(，)。從圖中可以看到，當(dāng)槳葉節(jié)距角逐漸增大時(shí)，CP()曲線將顯著縮小。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù) 只有在一個(gè)特定的最優(yōu)尖速比下才達(dá)到最大值，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍然保持某一固定的轉(zhuǎn)速，那么必將偏離其最優(yōu)值，從而使Cp降低，即降低了風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率。所以，為了提高風(fēng)能利用效率，必須使得風(fēng)速變化時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速也隨之變化從而保持最優(yōu)尖速比風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性由葉尖速比、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT(，)、風(fēng)能利用系數(shù)CP(，)、風(fēng)輪捕獲功率P表示，分別為:第三節(jié) 風(fēng)力機(jī)的建模和仿真風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性可以通過(guò)數(shù)值表得到，但是為了便于軟件模擬器的

4、執(zhí)行，更希望得到特性的分析表達(dá)式，而不是采用數(shù)據(jù)插值法。根據(jù)文獻(xiàn)，CP(，)為：式中：，C2=116，C4=5，C5=21，。 當(dāng)槳矩角恒定時(shí)，在不同的風(fēng)速下，只要控制風(fēng)力機(jī)能使其保持在最佳葉尖速比下運(yùn)行，從而可以確保風(fēng)力機(jī)能取得風(fēng)能利用系數(shù)CP(，)，實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)力機(jī)的最大功率捕獲17，同時(shí)增大槳矩角會(huì)減少風(fēng)能利用系數(shù)CP(，)，減少捕獲的能量。根據(jù)式計(jì)算可以得到當(dāng)時(shí)，CP(，16。 風(fēng)能利用系數(shù)CP(，)模型 式中：，C2=116，C4=5，C5=21，。 風(fēng)力機(jī)模型 仿真結(jié)果a) 模擬變速風(fēng)速圖b) 風(fēng)能利用系數(shù)曲線c) 風(fēng)力機(jī)功率輸出曲線第四節(jié) 風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和能量控制風(fēng)輪機(jī)的機(jī)構(gòu)風(fēng)輪機(jī)設(shè)

5、備的主要結(jié)構(gòu)包括風(fēng)輪機(jī)槳葉：通常采用個(gè)或兩個(gè)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(dòng)軸：轉(zhuǎn)速通常較低，內(nèi)部的液壓傳動(dòng)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(jī)相連，配有剎車裝置。機(jī)械剎車裝置：用于制動(dòng)，必要時(shí)用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的組成 GE Proprietary發(fā)電機(jī)：輸出電壓一般為690V,發(fā)電功率在5001500kW,并朝大容量方向發(fā)展。電子控制裝置：監(jiān)測(cè)風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行狀況，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，故障時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)。冷卻系統(tǒng)：冷卻發(fā)電機(jī)。機(jī)塔：用于支撐風(fēng)輪機(jī)。通常高度越高，風(fēng)速越大，風(fēng)況越

6、好，需要更高的機(jī)塔。偏轉(zhuǎn)裝置：保持風(fēng)輪機(jī)在迎風(fēng)方向。風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)：與控制裝置相連，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)切入和切出的啟?？刂啤C(jī)艙：機(jī)艙包容著風(fēng)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)。維護(hù)人員可以通過(guò)風(fēng)電機(jī)塔進(jìn)入機(jī)艙。機(jī)艙左端是 風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。 轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)電機(jī)上，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)量長(zhǎng)度大約為20米， 而且被設(shè)計(jì)得很象飛機(jī)的機(jī)翼。軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)電機(jī)的低速軸上。低速軸：風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為 19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來(lái)激發(fā)空氣動(dòng)力閘的運(yùn)行。 風(fēng)電機(jī)結(jié)

7、構(gòu)大部分風(fēng)電機(jī)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(zhǎng)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(fēng)電機(jī)的背部,這是因?yàn)槿~片末端的轉(zhuǎn)速是撞擊風(fēng)電機(jī)前部的風(fēng)速的八倍。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為什么轉(zhuǎn)子葉片呈螺旋狀？ 大型風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片通常呈螺旋狀。從轉(zhuǎn)子葉片看過(guò)去，并向葉片的根部移動(dòng)，直至到轉(zhuǎn)子中心，風(fēng)從很陡的角度進(jìn)入（比地面的通常風(fēng)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(yùn)轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子葉片需要被設(shè)計(jì)成螺旋狀，以保證葉片后面的刀口，沿地面上的風(fēng)向被推離。 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

8、。高速軸及其機(jī)械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。它裝備有緊急機(jī)械閘，用于空氣動(dòng)力閘失效 時(shí)，或風(fēng)電機(jī)被維修時(shí)。發(fā)電機(jī)：通常被稱為感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。偏航裝置：借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過(guò)風(fēng)向 標(biāo)來(lái)感覺(jué)風(fēng)向。圖中顯示了風(fēng)電機(jī)偏航。通常，在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。電子控制器：包含一臺(tái)不斷監(jiān)控風(fēng)電機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機(jī) 的過(guò)熱），該控制器可以自動(dòng)停止風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò) 調(diào)制解調(diào)器來(lái)呼叫風(fēng)電機(jī)操作員。液壓系統(tǒng)：用于重

9、置風(fēng)電機(jī)的空氣動(dòng)力閘。冷卻元件：包含一個(gè)風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機(jī)。此外，它包含一個(gè)油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風(fēng) 電機(jī)具有水冷發(fā)電機(jī)。塔：風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡x地面越高，風(fēng)速越大?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)汽輪機(jī)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(duì)于維修人員更為安全，因?yàn)榭?以通過(guò)內(nèi)部的梯子到達(dá)塔頂。桁架結(jié)構(gòu)的塔則比較便宜。風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo)：用于測(cè)量風(fēng)速及風(fēng)向。風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī): 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)電機(jī)上的發(fā)電機(jī)與你通?？吹降碾娋W(wǎng)上的發(fā)電設(shè)備相比有點(diǎn)不同。 原因是，發(fā)電機(jī)需要在波動(dòng)的機(jī)械能條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。輸出電壓大型風(fēng)電機(jī)（100-150

10、千瓦）通常產(chǎn)生690V的三相交流電。然后電流通過(guò)風(fēng)電機(jī)旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至一萬(wàn)至三萬(wàn)伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。大型制造商可以提供50赫茲風(fēng)電機(jī)類型（用于世界大部分的電網(wǎng)），或60赫茲類型（用于美國(guó)電網(wǎng)）。冷卻系統(tǒng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要冷卻。在大部分風(fēng)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)被放置在管內(nèi)，并使用大型風(fēng)扇來(lái)空冷；一部分制造商采用水冷。水冷發(fā)電機(jī)更加小巧，而且電效高，但這種方式需要在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置散熱器，來(lái)消除液體冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。啟動(dòng)及停止發(fā)電機(jī)如果通過(guò)彈開(kāi)一個(gè)普通開(kāi)關(guān)將大型風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接或解開(kāi)，很可能會(huì)損毀發(fā)電機(jī)、齒輪箱及鄰近電網(wǎng)。 發(fā)電機(jī)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)可以使用同步或異步發(fā)電機(jī)，并直

11、接或非直接地將發(fā)電機(jī)連接在電網(wǎng)上。直接電網(wǎng)連接指的是將發(fā)電機(jī)直接連接在交流電網(wǎng)上。非直接電網(wǎng)連接指的是，風(fēng)電機(jī)的電流通過(guò)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(jī)，這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程自動(dòng)完成。轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)子葉片輪廓（橫切面）風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片看起來(lái)像航行器的機(jī)翼。實(shí)際上，設(shè)計(jì)師通常將葉片最遠(yuǎn)端的部分的橫切面設(shè)計(jì)得類似于正統(tǒng)飛機(jī)的機(jī)翼。但是葉片內(nèi)端的厚輪廓，通常是專門為風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)與延時(shí)特性。葉片的輪廓設(shè)計(jì)，即使在表面有污垢時(shí)，葉片也可以運(yùn)轉(zhuǎn)良好。 轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)大型風(fēng)電機(jī)上的大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強(qiáng)化塑料（GRP）制造。采用碳纖維或芳族聚酰胺作

12、為強(qiáng)化材料是另外一種選擇，但這種葉片對(duì)大型風(fēng)電機(jī)是不經(jīng)濟(jì)的。木材、環(huán)氧木材、或環(huán)氧木纖維合成物目前還沒(méi)有在轉(zhuǎn)子葉片市場(chǎng)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(wèn)題，他們目前只用在小型風(fēng)電機(jī)上。風(fēng)電機(jī)齒輪箱為什么要使用齒輪箱？風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量，通過(guò)主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發(fā)電機(jī)。為什么要使用齒輪箱？為什么我們不能通過(guò)主軸直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)？如果我們使用普通發(fā)電機(jī)，并使用兩個(gè)、四個(gè)或六個(gè)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(fēng)電機(jī)。對(duì)于43米轉(zhuǎn)子直徑的風(fēng)電機(jī)，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

13、性是建造一個(gè)帶許多電極的交流發(fā)電機(jī)。但如果你要將發(fā)電機(jī)直接連在電網(wǎng)上，你需要使用200個(gè)電極的發(fā)電機(jī)，來(lái)獲得30轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速。另外一個(gè)問(wèn)題是，發(fā)電機(jī)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(dòng)的發(fā)電機(jī)會(huì)非常重。使用齒輪箱，你可以將風(fēng)電機(jī)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(jī)上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。風(fēng)電機(jī)上的齒輪箱，通常在轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間具有單一的齒輪比。對(duì)于600千瓦或750千瓦機(jī)器，齒輪比大約為1比50。下圖顯示了用于風(fēng)電機(jī)的兆瓦的齒輪箱。這個(gè)齒輪箱有些不同尋常，因?yàn)樵诟咚冱c(diǎn)的兩個(gè)發(fā)電機(jī)上安裝有法蘭。右側(cè)安裝在發(fā)電機(jī)下的橙黃色配件，是液壓驅(qū)動(dòng)的緊急盤狀剎車。在背景處可以看到用于風(fēng)

14、電機(jī)的機(jī)艙的下半部分風(fēng)電機(jī)偏航裝置風(fēng)電機(jī)偏航裝置用于將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到迎風(fēng)的方向。偏航誤差當(dāng)轉(zhuǎn)子不垂直于風(fēng)向時(shí)，風(fēng)電機(jī)存在偏航誤差。偏航誤差意味著，風(fēng)中的能量只有很少一部分可以在轉(zhuǎn)子區(qū)域流動(dòng)。如果只發(fā)生這種情況，偏航控制將是控制向風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電力輸入的極佳方式。但是，轉(zhuǎn)子靠近風(fēng)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(dòng)對(duì)著風(fēng)偏轉(zhuǎn)，逆風(fēng)或順風(fēng)的汽輪機(jī)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(dòng)時(shí)，都會(huì)沿著受力方向前后彎曲。存在偏航誤差的風(fēng)電機(jī)，與沿垂直于風(fēng)向偏航的風(fēng)電機(jī)相比，將承受更大的疲勞負(fù)載。偏航機(jī)構(gòu)幾乎所有水平軸的風(fēng)電機(jī)都會(huì)強(qiáng)迫偏航。即，使用一個(gè)帶有電動(dòng)機(jī)及齒輪

15、箱的機(jī)構(gòu)來(lái)保持風(fēng)電機(jī)對(duì)著風(fēng)偏轉(zhuǎn)。上右圖顯示的是750千瓦風(fēng)電機(jī)上的偏航機(jī)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(dá)及偏航閘的輪子。幾乎所有逆風(fēng)設(shè)備的制造商都喜歡在不需要的情況下，停止偏航機(jī)構(gòu)。偏航機(jī)構(gòu)由電子控制器來(lái)激發(fā)。電纜扭曲計(jì)數(shù)器電纜用來(lái)將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，電纜將越來(lái)越扭曲。因此風(fēng)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器，用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開(kāi)了。類似于所有風(fēng)電機(jī)上的安全機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)具有冗余。風(fēng)電機(jī)還會(huì)配備有拉動(dòng)開(kāi)關(guān)，在電纜扭曲太厲害時(shí)被激發(fā)。風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容一、葉片設(shè)計(jì)與分析葉片的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：最大化風(fēng)能利用系數(shù)最大功率輸出限制(失速型風(fēng)機(jī))能承受

16、極限載荷和疲勞載荷限制葉尖位移，防止葉片折斷(上風(fēng)向型風(fēng)機(jī))避免共振最小化重量和成本葉片設(shè)計(jì)包括其空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)可使葉片滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)中的(1)和(2)點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jì)內(nèi)容包括材料選擇，內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使葉片滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)中的(3) (6)。葉片動(dòng)力學(xué)分析葉片的防雷擊保護(hù)2、偏航系統(tǒng)設(shè)計(jì)偏航系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)艙，能使風(fēng)力機(jī)葉片的掃掠面與風(fēng)速垂直，最大限度地吸收風(fēng)能，同時(shí)為了防止機(jī)艙因風(fēng)向變化而搖擺，偏航系統(tǒng)安裝有制動(dòng)器。3、變槳距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主動(dòng)變槳控制是為保證風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片角度而減小其迎角，限制風(fēng)輪

17、轉(zhuǎn)速，從而最終限制發(fā)電機(jī)功率輸出。大型風(fēng)機(jī)由于葉片較大，需要單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，但對(duì)于100kW的中型風(fēng)機(jī)，考慮用一個(gè)液壓缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)三個(gè)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可將液壓缸放置在機(jī)艙中，通過(guò)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(shí)有利于保持三葉片的協(xié)調(diào)性。4、塔架設(shè)計(jì) 為了讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接收到更多的風(fēng)能，將機(jī)艙裝在一定高度的塔架上。由于葉片和機(jī)艙對(duì)風(fēng)的阻力對(duì)塔架產(chǎn)生的傾覆力矩，以及非周期載荷對(duì)塔架產(chǎn)生的振動(dòng)，因此塔架的設(shè)計(jì)必須考慮其機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。5、塔架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)偏航機(jī)械系統(tǒng)的作用其一是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處 于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能

18、，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。主要作用有兩個(gè)：偏航機(jī)械系統(tǒng)的種類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)一般分為主動(dòng)偏航系統(tǒng)和被動(dòng)偏航系統(tǒng)。被動(dòng)偏航指的是依靠風(fēng)力通過(guò)相關(guān)機(jī)構(gòu)完成機(jī)組風(fēng)輪對(duì)風(fēng)動(dòng)作的偏航方式，常見(jiàn)的有尾舵（用于小微型風(fēng)力機(jī) ）和舵輪（用于中小型風(fēng)機(jī) ）兩種。主動(dòng)偏航指的是采用電力或液壓拖動(dòng)來(lái)完成對(duì)風(fēng)動(dòng)作的偏航方式，常見(jiàn)的有齒輪驅(qū)動(dòng)和滑動(dòng)兩種形式。對(duì)于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，通常都采用主動(dòng)偏航的齒輪驅(qū)動(dòng)形式。主動(dòng)偏航機(jī)械系統(tǒng)組成主動(dòng)偏航機(jī)械系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動(dòng)裝置、偏航制動(dòng)器、偏航液壓回路、偏航計(jì)數(shù)器、紐纜保護(hù)裝置等幾個(gè)部分組成。100

19、0kw風(fēng)力機(jī)偏航機(jī)械系統(tǒng)德國(guó)富蘭德公司1000KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)（主動(dòng)） 主動(dòng)偏航機(jī)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(jī)組的機(jī)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(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)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(jī)組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進(jìn)行選擇。 主動(dòng)偏航機(jī)械系統(tǒng)組成二、驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置一般由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、減速器、傳動(dòng)齒輪、輪齒間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。驅(qū)動(dòng)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(dòng)齒輪一般采用漸開(kāi)線圓柱齒輪。主動(dòng)偏航機(jī)械系統(tǒng)組成三、

20、偏航制動(dòng)器 偏航制動(dòng)器一般采用液壓拖動(dòng)的鉗盤式制動(dòng)器，由制動(dòng)鉗和制動(dòng)盤組成。在機(jī)組偏航過(guò)程中，制動(dòng)器提供的阻尼力矩應(yīng)保持平穩(wěn)。制動(dòng)器可以采用常閉式和常開(kāi)式兩種結(jié)構(gòu)形式，常閉式制動(dòng)器是在有動(dòng)力的條件下處于松開(kāi)狀態(tài)，常開(kāi)式制動(dòng)器則是處于鎖緊狀態(tài)。兩種形式相比較并考慮失效保護(hù)，一般采用常閉式制動(dòng)器。低于額定風(fēng)速時(shí), 利用變速恒頻技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制, 使風(fēng)能利用系數(shù)為最大值, 充分地利用風(fēng)能 ；高于額定風(fēng)速時(shí), 利用變槳距機(jī)構(gòu)對(duì)槳葉的節(jié)距角進(jìn)行控制, 使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近 。 風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力特性出發(fā), 提出了變速恒頻風(fēng)力機(jī)在低于額定風(fēng)速和高于額定風(fēng)速階段的變槳距控制策略 ：變槳系統(tǒng)

21、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu) ：優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)頻率快、扭矩大、便于集中布置和集成化 應(yīng)用：適合于大型風(fēng)力機(jī)的場(chǎng)合 電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能對(duì)槳葉進(jìn)行單獨(dú)控制 常用的變槳距機(jī)構(gòu) ：變槳距控制電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 每個(gè)槳葉采用一個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。伺服電機(jī)通過(guò)主動(dòng)齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連, 直接對(duì)槳葉的節(jié)距角進(jìn)行控制。由于大功率風(fēng)力機(jī)的槳葉很長(zhǎng), 而風(fēng)速一般隨著高度的增加而增加, 在整個(gè)風(fēng)輪掃及面積上的風(fēng)速不是平均的, 因此對(duì)單一槳葉控制是有利于最大限度利用風(fēng)能, 減小振動(dòng)。如圖 所示 葉片長(zhǎng)度從1980年的發(fā)展到今天的60余米，容量從當(dāng)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(guò)程： 鋼梁玻璃

22、纖維蒙皮葉片 鋁合金等弦長(zhǎng)擠壓成型葉片 玻璃鋼葉片 玻璃鋼復(fù)合葉片 碳纖維(CF)復(fù)合葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)1、基于空氣動(dòng)力學(xué)的外殼造型設(shè)計(jì)確定其截面幾何尺寸、扭曲、厚度分布，以滿足最大風(fēng)能利用系數(shù)、最大功率輸出限制等要求。2、基于材料性能、加工特性和成本控制的材料選擇 20世紀(jì)70年代的風(fēng)力機(jī)葉片主要由鋼材、鋁材或木材制成。 由于玻璃鋼的比強(qiáng)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(fù)合材料，以E-玻纖增強(qiáng)塑料(GFRP)居多。 目前碳纖維復(fù)合材料(CFRP) 也已開(kāi)始采用，但價(jià)格昂貴。 3、基于強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 確定內(nèi)

23、部結(jié)構(gòu)形式及尺寸，以滿足極限狀態(tài)和疲勞過(guò)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。 （二）選型設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)算（材料、長(zhǎng)度、直徑、掃風(fēng)面積） 3、規(guī)格型號(hào)、生產(chǎn)廠家選擇 目前國(guó)內(nèi)已上馬葉片生產(chǎn)企業(yè)超過(guò)50家 目前葉片主要是玻璃鋼復(fù)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(shù)脂，普遍采用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹(shù)脂、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂 。目前葉片類型風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)思想是盡可能便宜的產(chǎn)生電能。風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)是基于目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速條件，因此風(fēng)輪機(jī)一般被

24、設(shè)計(jì)成在風(fēng)速為815m/s時(shí)具有最佳的性能，即有最大的電能產(chǎn)出。而不是花費(fèi)心思把風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)在強(qiáng)風(fēng)是有最多電能產(chǎn)出，因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)天氣不多見(jiàn)。因此在強(qiáng)風(fēng)天氣時(shí)必須浪費(fèi)多余風(fēng)能，以免破壞風(fēng)機(jī)。所以風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)有能量控制裝置，安全控制方式有如下幾種。風(fēng)力機(jī)的能量控制(1)被動(dòng)失速控制風(fēng)輪機(jī)被動(dòng)失速控制風(fēng)輪機(jī)的槳葉被固定，契角不可變。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)輪機(jī)的槳葉，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速達(dá)到某一特點(diǎn)值時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)失速。該方式避免使用復(fù)雜的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉，但同時(shí)出現(xiàn)了復(fù)雜的氣體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)難題。(2)主動(dòng)失速控制風(fēng)機(jī)越來(lái)越多的大型風(fēng)機(jī)在發(fā)展主動(dòng)失速控制裝置。在低速時(shí)為了有足夠大的力矩，采用和可調(diào)契角同樣的控制方式；當(dāng)風(fēng)速增大，發(fā)電機(jī)將要超負(fù)荷時(shí)，則與可調(diào)契角控制方式相反，而是通過(guò)主動(dòng)方式達(dá)到槳葉失速，它比被動(dòng)失速方式更能精確控制能量輸出，另一方面優(yōu)點(diǎn)是它能在強(qiáng)風(fēng)天氣保持額定功率運(yùn)行，而失速型通常因?yàn)槭俣闺娔茌敵鼋档?。它同時(shí)也帶來(lái)了投資成本和維護(hù)費(fèi)用的