小型風(fēng)力發(fā)電機特性

1、小型風(fēng)力發(fā)電機特性風(fēng)能是沒有公害的能源之一，而且它取之不盡，用之不竭。對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草 原牧區(qū)、山區(qū)和高原地帶，可因地制宜地利用風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國 的重視。把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機械能，再把機械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一項多學(xué)科的，可 持續(xù)發(fā)展的，綠色環(huán)保的綜合技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機組。風(fēng)力發(fā)電機組主要由兩大部分 組成：風(fēng)力機部分將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能；發(fā)電機部分將機械能轉(zhuǎn)換為電能。一、小型風(fēng)力發(fā)電機分類小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機組成的，而是一個有一定 科技含量的小系統(tǒng)：風(fēng)力機十

2、風(fēng)力發(fā)電機十 控制器十蓄能裝置。風(fēng)力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每 一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風(fēng)力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而 獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永礅體，定子繞組切割磁 力線產(chǎn)生電能。小型風(fēng)力發(fā)電按其設(shè)計的方式與結(jié)構(gòu)可分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(VAWT)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(HAWT)兩 種。水平軸風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動軸與風(fēng)向平行，大部分水平軸式風(fēng)力發(fā)電機其葉片會隨風(fēng)向變化而不斷調(diào)整位置， 因此較易受地形、地物的影響。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動軸與風(fēng)向垂直。此型的優(yōu)點為設(shè)計較簡單，因為不必隨 風(fēng)向改變而

3、調(diào)整方向，可分為打蛋形轉(zhuǎn)子(Darrieus)和桶形轉(zhuǎn)子(Savonius)等打蛋形轉(zhuǎn)子(Darrieus)是由法國及 航天工程師Georges Jean MarieDarrieus于1931年發(fā)明。桶形轉(zhuǎn)子(Savonius)為荷蘭工程師Sigurd J. Savonius 于1922年發(fā)明。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機與水平軸風(fēng)力發(fā)電機比較見表2-1。二、水平軸風(fēng)力機風(fēng)輪軸線的安裝位置與水平面夾角不大于15度的風(fēng)力機稱水平軸風(fēng)力機，水平軸風(fēng)力 機的風(fēng)輪圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪軸與風(fēng)向平行，風(fēng)輪上的葉片是徑向安置的，與旋轉(zhuǎn)軸相垂直，并與風(fēng)輪的 旋轉(zhuǎn)平面成一角度(稱為安裝角)。水平軸風(fēng)力機葉片如圖2 -1

4、所示。水平軸風(fēng)力機可以是升力裝置(即升力驅(qū)動風(fēng)輪)，也可以是阻力裝置(阻力驅(qū)動風(fēng)輪)。大多數(shù)水平軸 風(fēng)力發(fā)電機具有對風(fēng)裝置，對于小型風(fēng)力發(fā)電機，一般采用尾舵。水平軸力風(fēng)力機有傳統(tǒng)風(fēng)車、低速風(fēng)力機及高 速風(fēng)力機等3大類型。水平軸風(fēng)力機的主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)有：風(fēng)輪直徑，通常風(fēng)力機的功率越大，直徑越大。葉片數(shù)目，高速發(fā)電用風(fēng)力機為24片，低速風(fēng)力機大于4片。葉片材料，現(xiàn)代小型風(fēng)力機葉片采用高強度低密度的復(fù)合材料。風(fēng)能利用系數(shù)，一般為0.150.5之間。啟動風(fēng)速，一般為35m /s。停機風(fēng)速，通常為1535m /s。輸出功率，現(xiàn)代小型風(fēng)力機一般為幾百瓦到幾千瓦。發(fā)電機，分為直流發(fā)電機和交流發(fā)電機。塔架高

5、度等。水平軸風(fēng)力機的式樣很多，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪，有的水平軸風(fēng)力機在風(fēng)輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣沆， 增加氣流速度。采用創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計的FD系列小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機具有以下優(yōu)點：(1)大大降低風(fēng)力發(fā)電機的啟動阻力，風(fēng)速為2mls時即可啟動。國內(nèi)外較好水平為3.54ms啟動。采用水平軸技術(shù)，降低電機運行中的各種機械損耗和電磁損耗，使相同風(fēng)速下的發(fā)電功率提高近 20%， 尤其是低風(fēng)速時的發(fā)電量提高明顯。采用水平軸技術(shù)降低電機的各種損耗后，使用壽命也大為延長。風(fēng)力發(fā)電機外殼選用高強度鋁合金經(jīng)精密壓鑄工藝制造，重量輕，強度高，不生銹，耐腐蝕和鹽霧。發(fā)電機采用高效耐高溫材料，定子組件又經(jīng)真空浸漆工藝處理，

6、使絕緣性能及使用壽命大為提高。風(fēng)輪經(jīng)空氣動力學(xué)優(yōu)化軟件精心設(shè)計，風(fēng)能利用率高，運行噪聲小。葉輪經(jīng)動平衡處理，確保運行時安 靜平穩(wěn)。葉片采用先進(jìn)的高分子復(fù)合材料，具有良好的強度及韌性，重量輕，不變形。其抗拉強度、使用壽命及 一致性遠(yuǎn)高于木質(zhì)葉片、玻璃纖維及塑料葉片。整機采用防銹處理，所有電機外部緊固件均為不銹鋼制品。在多雨及鹽霧地區(qū)的使用壽命大為改觀。結(jié)構(gòu)簡單，無須專業(yè)知識，只需普通工具，進(jìn)行簡單操作，即可完成安裝調(diào)試工作。FD系列風(fēng)力機的控制器采用智能控制，對蓄電池的正常充電、過充、過放等各種狀態(tài)具有指示功能和 自動保護(hù)功能。并在風(fēng)力發(fā)電機空載時自動剎車，以防止意外飛車。三、垂直軸風(fēng)力機垂直軸

7、風(fēng)力機的風(fēng)輪不隨風(fēng)向改變而調(diào)整方向，垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)輪圍繞一個垂直軸旋 轉(zhuǎn)，風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直。其優(yōu)點是可以接受來自任何方向的風(fēng)，因而當(dāng)風(fēng)向改變時，無需對風(fēng)。由于不需要調(diào)向 裝置，使它的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化。垂直軸風(fēng)力機的另一個優(yōu)點是齒輪箱和發(fā)電機可以安裝在地面上，十分便于維修。雖然目前垂直軸風(fēng)力機尚未大量商品化，但是它有許多特點，如不需大型塔架、發(fā)電機可安裝在地面上、 維修方便及葉片制造簡便等，研究日趨增多，研發(fā)出各種形式的垂直軸風(fēng)力機。垂直軸風(fēng)力機常見的結(jié)構(gòu)有S型風(fēng)輪、達(dá)里厄式風(fēng)輪和旋翼式風(fēng)輪三種，如圖2-2所示。S型風(fēng)輪由兩個 軸線錯開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點是啟動轉(zhuǎn)矩較大，缺點是由于圍繞著風(fēng)輪

8、產(chǎn)生不對稱氣流，從而對它產(chǎn)生 側(cè)向推力。對于較大型的風(fēng)力機，因為受偏轉(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制，采用這種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的。達(dá)里厄型風(fēng)力機，足利用翼型的升力作功，是水平軸風(fēng)力機的主要競爭者。達(dá)里厄風(fēng)力機有多種形式，基 本上是直葉片和彎葉片兩種。垂直軸風(fēng)力機在風(fēng)向改變時，無需對風(fēng)向，在這一點上，相對于水平軸風(fēng)力發(fā)電機是一大優(yōu)點，這使得結(jié) 構(gòu)簡化，同時也減少了風(fēng)輪對風(fēng)向時的陀螺力。旋翼式風(fēng)力機從理論上講，它可以不像水平軸風(fēng)力機那樣要求迎風(fēng)裝置，但它同樣存在超過工作速度需要 限速問題。為了限速，其機構(gòu)必然復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)越性就不復(fù)存在了。該風(fēng)力機由于一些技術(shù)難題仍未得 到解決，因此目前還沒有進(jìn)入推

9、廣應(yīng)用階段。最早的垂直軸風(fēng)力機是一種圓弧形雙葉片結(jié)構(gòu)（型或稱為達(dá)里厄），由于其受風(fēng)面積小，相應(yīng)的啟動風(fēng) 速較高，一直未得到大力發(fā)展，我國也在前幾年做了一些嘗試，但效果始終不理想。H型結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機與科技的 發(fā)展特別是計算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，由于H型垂直軸風(fēng)力機的設(shè)計需要非常大量的空氣洞力學(xué)計算以及數(shù)字 模擬計算，采用人工的方法計算一次至少需要幾年的時間，而且不是一次計算就能得到正確的結(jié)果，所以在計算 機還不是很發(fā)達(dá)的年代，人們根本無法完成這一設(shè)計構(gòu)思。H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機采用空氣洞力學(xué)原理，針對垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)洞模擬，葉片選用了飛機翼形形狀，在 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，它不會受到因變形而改變效率；它由垂直直

10、線的45個葉片組成，葉片由4角形或5角形形狀的 輪轂固定，由連接葉片的連桿組成風(fēng)輪。根據(jù)H型風(fēng)力機的原理，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速上升速度提高較快（力矩上升速度快），它驅(qū)動發(fā)電機的發(fā)電功率上 升速度也相應(yīng)變快，發(fā)電曲線變得飽滿。在同樣功率下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的額定風(fēng)速較現(xiàn)有水平軸風(fēng)力發(fā)電機 要小，并且它在低風(fēng)速運轉(zhuǎn)時發(fā)電量也較大。由于此種設(shè)計結(jié)構(gòu)采用了特殊空氣洞力學(xué)原理、三角形向量法的連接方式以及直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，使得風(fēng)輪的受 力主要集中于輪轂上，因此抗風(fēng)能力較強；此種設(shè)計的特性還體現(xiàn)在對周圍環(huán)境的影響上，運轉(zhuǎn)時無噪聲以及電 磁干擾小等特點，使得新型垂直軸風(fēng)力機優(yōu)越性非常明顯。目前，生產(chǎn)該類型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)品

11、最多的是日本，目前英國、加拿大等國也在研制中，這些國家的 大部分產(chǎn)品在風(fēng)輪設(shè)計當(dāng)中采用平行連接桿，這種方式對發(fā)電機輸出軸要求較高，并且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，現(xiàn)場安裝 程序也偏多。另外，從力學(xué)方面分析，H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機功率越大、葉片越長、平行桿的中心點與發(fā)電機軸 的中心點距離越長，抗風(fēng)能力就越差，因此，采取三角形向量法的連接方式，可彌補了上述的一些缺點。四、風(fēng)力機輸出特性具有固定槳距的水平軸風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩隨風(fēng)速和轉(zhuǎn)速變化，如果葉片的旋轉(zhuǎn)速度太低， 葉片將失速，風(fēng)輪輸出的扭矩下降，因此為了從氣流中取得最大功率輸出（當(dāng)氣流速度變化時）必須改變?nèi)~片的 槳距角或葉片的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)在很多風(fēng)力機風(fēng)輪都設(shè)計成變槳距葉

12、片。風(fēng)力機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速若隨風(fēng)速改變，可從空氣中取得最大功率，但對于由風(fēng)輪驅(qū)動的發(fā)電機而言，這并不是 最佳的。優(yōu)化設(shè)計的解決的方法是準(zhǔn)許風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，同時使用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，以得到所需頻率的電 能。風(fēng)力機輸出功率曲線如圖2-3所示，其中ve為啟動風(fēng)速，vR為額定風(fēng)速，此時風(fēng)力機輸出額定功率，Vp 為截止風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速小于啟動風(fēng)速時，風(fēng)力機不能轉(zhuǎn)動。風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速后，風(fēng)力機開始轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機發(fā)電。輸 出電能供給負(fù)載以及給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池組端電壓達(dá)到設(shè)定的最高值時，由電壓檢測得到信號電壓通過控制 電路進(jìn)行開關(guān)切換，使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)壓閉環(huán)控制，既保持對蓄電池充電，又不致使蓄電池過充。在風(fēng)速超過

13、截止風(fēng) 速時，風(fēng)力機通過機械限速機構(gòu)使風(fēng)力機在一定轉(zhuǎn)速下限速運行或停止遠(yuǎn)行，以保證風(fēng)力機不致?lián)p壞。普通風(fēng)力發(fā)電機至少需要3mls的風(fēng)速才能啟動，3.5m/s的風(fēng)速才能發(fā)電，一定程度上限制了小型風(fēng)力發(fā) 電在我國很多地區(qū)的運用。而采用全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機，由于使用微摩擦、啟動力矩小的磁懸浮軸承，在1.5m /s的微弱風(fēng)速下就能啟動，2.5mls的風(fēng)速就能發(fā)電，能效提高約20%，能廣泛應(yīng)用于全國80%的地區(qū)。經(jīng)中 國機械工業(yè)風(fēng)力機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢測，全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機組的啟動力矩降至國家標(biāo)準(zhǔn)的1/ 12左 右，啟動風(fēng)速降低了 57.14%，切人風(fēng)速降低23. 81%，額定功率提高20. 5

14、7%。五、風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率風(fēng)力發(fā)電機的額定輸出功率是配合特定的額定風(fēng)速設(shè)計而定的，由于能量與風(fēng) 速的立方成正比，因此，風(fēng)力發(fā)電機的功率會隨風(fēng)速變化會很大。同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)力機可以配以不同大 小的發(fā)電機。因此兩臺同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)力機有不同的額定輸出功率值，這取決于它的設(shè)計是配合強風(fēng)地 帶（配較大型發(fā)電機）或弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機）。發(fā)電機的額定功率是指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下輸出的功率。由于風(fēng)速不是一個穩(wěn)定值，因而發(fā)電機轉(zhuǎn)速會隨 風(fēng)速而變化，因此輸出功率也會隨風(fēng)速變化。當(dāng)風(fēng)速低于設(shè)計風(fēng)速時，發(fā)電機的實際輸出功率將達(dá)不到額定值； 當(dāng)風(fēng)速高于設(shè)計風(fēng)速時，實際輸出功率將高于額定值。當(dāng)然，由于風(fēng)力發(fā)電機的限速和調(diào)速裝置及發(fā)電機本身設(shè) 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。在風(fēng)速很低的時候，風(fēng)力機的風(fēng)輪會保持不動。當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時，風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)