2.2 風力機

風力機是把風的動能轉換成機械能的機械設備。風力機通常由風輪、對風裝置、調速限速機構、傳動裝置、做功裝置、儲能裝置、塔架及附屬部件組成。

風輪是風力機最重要的部件，它是風力機區別于其他動力機的主要標志。其作用是捕捉和吸收風能，并將風能轉變成機械能，由風輪軸將能量送給傳動裝置。風輪一般由葉片和輪轂組成，一般有2～3個葉片，是捕獲風能的關鍵設備。

2.2.1 葉片

葉片也稱為槳葉，是將風能轉換為動能的部件，風力帶動風車葉片旋轉，再通過齒輪箱將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。風力發電機通常有2片或3片葉片，葉尖速度50～70m/s，具有這樣的葉尖速度，3葉片葉輪通常能夠提供最佳效率，然而2葉片葉輪僅降低2%～3%的效率。對于外形很均勻的葉片，葉片少的葉輪轉速快些，這樣會導致葉尖噪聲和腐蝕等問題。3葉片葉輪上的受力更平衡，輪轂可以簡單些。

葉片的翼型設計、結構型式會直接影響機組的性能和功率。風力機葉片的剖面形狀稱為風力機翼型，它對風力機性能有很大的影響。目前風力機葉片有NACA44系列、NACA63-2系列、NRELS系列、FFA-W系列和DU系列等。葉片材料的強度和剛度是決定風力發電機組性能優劣的關鍵。目前的葉片品種有木制葉片及布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金等弦長擠壓成型葉片、玻璃鋼復合葉片和碳纖維復合葉片等5種，目前的主要構成材料是玻璃纖維增強聚酯或碳纖維增強聚酯，為多格的梁/殼體結構。大型葉片主要采用的是玻璃鋼復合材料，這種材料制作的葉片具有以下特點：

（1）可根據風力機葉片的受力特點設計強度與剛度。風力機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲力和離心力，氣動彎曲載荷比離心力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。利用纖維受力為主的受力理論，可把主要纖維安排在葉片的縱向，這樣就可把葉片設計得比鋁葉片更輕，減輕葉片的重量，重量的減輕反過來可降低葉片的離心力及重力引起的交變載荷。

（2）容易成型，易于達到最大氣動效率的翼型。為了達到最佳氣動效果，葉片具有復雜的氣動外形，在風輪的不同半徑處，葉片的弦長、厚度、扭腳和翼型都不同，如用金屬制造很困難，而用玻璃鋼制造則容易得多，它不需要復雜的工藝裝備，模具制成后，可以進行批量生產。

（3）優良的動力性能和較長的使用壽命。葉片使用壽命20年，要經受1×107次以上疲勞交變。玻璃鋼的疲勞強度較高，缺口敏感性低，它的疲勞破壞有一個較長的開裂過程。玻璃鋼在產生初始裂紋后，還能工作相當長的一段時間。

（4）耐腐蝕性和耐氣候性好。風力機安裝在外，風力發電機組要受到各種氣候環境的影響，要具有耐酸、堿、水、汽的性能。而玻璃鋼復合材料具有這種優良的性能，能在這種惡劣環境下工作的時間較長。

（5）易于修補且維修簡便。玻璃鋼葉片的另一突出優點就是易于補修。葉片在使用過程中可能發生局部或較大區域的損傷，對于玻璃鋼葉片，只要損傷區不是嚴重到接近破壞，一般都可以修復。

葉片有內置的防雷電系統，葉尖裝有金屬接閃器。葉片的外形如圖2-6所示。

2.2.2 輪轂

風力機葉片都要裝在輪轂上。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件。葉片與輪轂依靠軸承連接，并用螺栓分別緊固在軸承的內外圈上，通過液壓驅動同步盤實現變槳距功能。葉片產生的氣動載荷以及由于風輪旋轉和機艙對轉動引起的離心力、慣性力和重力通過三片葉片傳遞給軸承并最終通過螺栓傳遞到輪轂，承受葉片傳來的各種靜載荷和交變載荷時，在輪轂法蘭盤處很容易引起應力集中。因此輪轂設計的好壞將直接影響到整個風力發電機組的正常運行和使用壽命，有必要對輪轂進行受力分析以確定輪轂各個部位應力分布，為輪轂的優化設計提供依據。根據形狀的不同輪轂可分為球形和三角形兩種。所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統，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，在設計中應保證足夠的強度。輪轂的外形圖如圖2-7所示。

2.2.3 風力機的分類方式

風力機的分類方式較多，按照槳葉、風輪轉速、傳動結構、發電機類型、并網方式以及風力發電機的旋轉軸等可分為以下6種類型。

1．按槳葉分類

（1）失速型。高風速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動作，限制風力機的輸出轉矩與功率。槳葉與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，槳葉節距角不能隨之變化。這一特點使得當風速高于風輪的設計點風速（額定風速）時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，槳葉的這一特性稱為自動失速性能。運行中的風力發電機組在突甩負載的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風力發電機組能夠在大風情況下安全停機。20世紀70年代，失速性能良好的槳葉的出現，解決了風力發電機組自動失速性能的要求；20世紀80年代葉尖擾流器的應用，解決了在突甩負載情況下的安全停機問題，這些使得定槳距失速型風力發電機組在過去20多年的風能開發利用中始終處于主導地位。

（2）變槳型。高風速時通過調整槳距角，限制輸出轉矩與功率。變槳距風輪運行是通過改變槳距角，使葉片剖面的攻角發生變化來迎合風速變化，從而在低風速時能夠更充分地利用風能，具有較好的氣動輸出性能，而在高風速時，又可以通過改變攻角的變化來降低葉片的氣動性能，使高風速區風輪功率降低，達到調速限功的目的。

2．按風輪轉速分類

（1）定速型。風輪保持一定轉速運行，風能轉換率較低，與恒速發電機對應。定速風力機一般采用時速控制的槳葉控制方式，使用直接與電網相連的異步感應電動機。由于風能的隨機性，驅動異步發電機的風力機低于額定運行的時間占全年運行時間的60%～70%。

（2）變速型。變速風力機一般配備變槳距功率調節方式。風力機必須有一套控制系統來調節，限制轉速和功率。調速與功率調節裝置的首要任務是使風力機在大風運行發生故障和過載荷時得到保護；其次，使風力發電機組能夠在啟動時順利切入運行，電能質量符合公共電網要求。

1）雙速型。可在兩個設定轉速運行，改善風能轉換率，與雙速發電機對應。

2）連續變速型。在一段轉速范圍內連續可調，可捕捉最大風能功率，與變速發電機對應。

3．按傳動結構分類

（1）齒輪箱升速型。用齒輪箱連接低速風力機和高速發電機（減小發電機體積重量，降低電氣系統成本）。由于葉尖速度的限制，風輪旋轉速度一般較慢。風輪直徑在100m以上時，風輪轉速在15r/min或更低。為了使發電機的體積變小，就必須使發電機輸入轉速更高，這時就必須使用變速箱提高轉速使得發動機輸入轉速在1500r/min或者3000r/min，這樣，發電機體積就可以設計得盡可能小。

（2）直驅型。直接連接低速風力機和低速發電機（避免齒輪箱故障）。將葉輪和發電機直接連接在一起，這樣的風力發電機稱為無齒輪箱風力發電機。這種發電機由于沒有齒輪箱，所以結構簡單，制造方便，維護方便。

4．按發電機類型分類

（1）異步型。

1）籠型異步發電機。功率為600kW、750kW、800kW、1250kW，定子向電網輸送不同頻率的交流電。

2）繞線式雙饋異步發電機。功率為1500kW，定子向電網輸送50Hz交流電，轉子由變頻器控制，向電網間接輸送有功或無功功率。

（2）同步型。

1）電勵磁同步發電機。由外接轉子上的直流電流產生磁場，定子輸出經全功率整流逆變后向電網輸送50Hz交流電。

2）永磁同步發電機。功率為750kW、1200kW、1500kW，由永磁體產生磁場，定子輸出經全功率整流逆變后向電網輸送50Hz交流電。

5．按并網方式分類

（1）并網型。并入電網，可省卻儲能環節。

（2）離網型。一般需配蓄電池等直流儲能環節，可帶交、直流負載或與柴油發電機、光伏電池并聯運行。

6．按風力發電機的旋轉軸分類

（1）水平軸風力發電機。該風力發電機旋轉軸與葉片垂直，一般與地面平行，旋轉軸處于水平。

（2）垂直軸風力發電機。該風力發電機旋轉軸與葉片平行，一般與地面垂直，旋轉軸處于垂直。

目前占市場主流的是水平軸風力發電機，通常所說的風力發電機也是指水平軸風力發電機。垂直軸風力發電機雖然最早被人類利用，但是用來發電還是近十幾年才興起的。與傳統的水平軸風力發電機相比，垂直軸風力發電機具有不對風向、轉速低、無噪聲等優點，但同時也存在啟動風速高、結構復雜等缺點，這都制約了垂直風力發電機的應用。