2.4　風力發電裝置

水平軸式風力發電裝置主要由以下幾部分組成：風輪、停車制動器、傳動機構（增速箱）、發電機、機座、塔架、調速器或限速器、調向器等，如圖2-12所示。

2.4.1　風輪

風力機也是一種流體渦輪機械，與別的流體渦輪機械如燃氣輪機、汽輪機的主要區別是風輪。高速風力機的風輪葉片特別少，一般由2～3個葉片和輪轂組成。風輪葉片的功能與燃氣輪機、汽輪機的葉片功能相同，是將風的動能轉換為機械能并帶動發電機發電。風力機葉片的典型構造如圖2-13所示。

小型風力機葉片常用整塊優質木材加工制成，表面涂上保護漆，根部通過金屬接頭用螺栓與輪轂相連。有的采用玻璃纖維或其他復合材料作蒙皮，效果更好。

大、中型風力機葉片如果用木質時，不用整塊木料制作，而是用很多縱向木條膠接在一起，以便于選用優質木料，保證質量。為減輕質量，有些木質葉片在翼型后緣部分填塞質地很輕的泡沫塑料，表面用玻璃纖維作蒙皮［圖2-13（a）］。采用泡沫塑料的優點不僅可以減輕質量，而且能使翼型重心前移（重心設計在近前緣1/4弦長處為最佳）。這樣可以減少葉片轉動時的有害振動，這點對于大、中型風力機葉片特別重要。為了減輕葉片的質量，有的葉片用一根金屬管作為受力梁，以蜂窩結構、泡沫塑料或輕木材作中間填充物，外面再包上一層玻璃纖維［圖2-13（b）、（c）、（d）］。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氧樹脂擠壓成型［圖2-11（e）］，這種方式無法擠壓成變寬度、變厚度的扭曲葉片，難以得到高的風能利用率。現代大型風力機常采用圖2-13（f）的結構，表皮是復合材料玻璃纖維，中間兩根大梁是復合材料，中間夾層是輕質泡沫材料。上下層表皮分別成型，然后與大梁粘接。

除了小型風力機的葉片部分采用木質材料外，大、中型風力機的葉片都采用玻璃纖維或高強度的復合材料。

風力機葉片都要裝在輪轂上，通過輪轂與主軸連接，并將葉片力傳到風力機驅動的對象（發電機、磨機或水車等）。同時輪轂也實現葉片槳距角控制，故需有足夠的強度。有些風力機采用定槳距角葉片結構，可以簡化結構、提高壽命和降低成本。典型風輪葉片及風力機葉型迭合圖見圖2-14。

2.4.2　調速器和限速裝置

用調速器和限速裝置實現風力機在不同風速時，轉速恒定和不超過某一最高轉速限值。當風速過高時，這些裝置還可用來限制功率，并減小作用在葉片上的力。調速器和限速裝置有三類：偏航式、氣動阻力式和變槳距角式。

（1）偏航式　小型風力機的葉片一般固定在輪轂上，不能改變槳距角。為了避免在超過設計風速太多的強風時，風輪超速甚至吹毀葉片，常采用使整個風輪水平或垂直轉角的辦法，以便偏離風向，達到超速保護的目的。這種裝置的關鍵是把風輪軸設計成偏離軸心一個水平或垂直的距離，從而產生一個偏心距。相對的一側安裝一副彈簧，一端系在與風輪成一體的偏轉體上，另一端固定在機座底盤或尾桿上。預調彈簧力，使在設計風速內風輪偏轉力矩小于或等于彈簧力矩。當風速超過設計風速時，風輪偏轉力矩大于彈簧力矩，使風輪向偏心距一側水平或垂直旋轉，直到風輪受的力矩與彈簧力矩相平衡。在遇到強風時，可使風輪轉到與風向相平行，以達到風輪停轉。

（2）氣動阻力式　將減速板鉸接在葉片端部，與彈簧相連。在正常情況下，減速板保持在與風輪軸同心的位置；當風輪超速時，減速板因所受的離心力對鉸接軸的力矩大于彈簧張力的力矩，從而繞軸轉動成為擾流器，增加風輪阻力，起到減速作用。風速降低后，它們又回到原來位置。利用空氣動力制動的另一種結構，是將葉片端部（約為葉片總面積的1/10）設計成可繞徑向軸轉動的活動部件。正常運行時，葉尖與其他部分方向一致，正常做功。當風輪超速時，葉尖可繞控制軸轉60°或90°，從而產生空氣阻力，對風輪起制動作用。葉尖的旋轉可利用螺旋槽和彈簧機構來完成，也可由伺服電動機驅動。

（3）變槳距角式　采用變槳距角除可控制轉速外，還可減小轉子和驅動鏈中各部件的壓力，并允許風力機在很大的風速下還能運行，因而應用相當廣泛。在中、小型風力機中，采用離心調速方式比較普遍，利用槳葉或安裝在風輪上的配重所受的離心力來進行控制。風輪轉速增加時，旋轉配重或槳葉的離心力隨之增加并壓縮彈簧，使葉片的槳距角改變，從而使受到的風力減小，以降低轉速。當離心力等于彈簧張力時，即達到平衡位置。在大型風力機中，常采用電子控制的液壓機構來控制葉片的槳距。例如，美國MOD20型風力發電機利用兩個裝在輪轂上的液壓調節器來控制轉動主齒輪，帶動葉片根部的斜齒輪來進行槳距角調節；美國MOD21型風力發電機則采用液壓調節器推動連接葉片根部的連桿來轉動葉片。這種葉片槳距角控制還可改善風力機的啟動特性、發電機聯網前的速度調節（減少聯網時的沖擊電流）、按發電機額定功率來限制轉子氣動功率以及在事故情況下（電網故障、轉子超速、振動等）使風力發電機組安全停車等。

2.4.3　調向裝置

風力機可設計成順風向和逆風向兩種形式，一般大多為逆風向式。順風向風力機的風輪能自然地對準風向，因此一般不需要進行調向控制（對大型的順風向風力機，為減輕結構上的振動，往往也有采用對風控制系統的）。逆風向風力機則必須采用調向裝置，常用的有以下幾種。

（1）尾舵調向　主要用于小型風力發電裝置。它的優點是能自然地對準風向，不需要特殊控制。尾舵面積A'與風輪掃掠面積A之間應符合下列關系

　　 （2-1） 　　

式中，e為轉向軸與風輪旋轉平面間的距離；l為尾舵中心到轉向軸的距離（圖2-15）。

尾舵調向裝置結構笨重，因此很少用于中型以上的風力機。

（2）側風輪調向　在機艙的側面安裝一個小風輪，其旋轉軸與風輪主軸垂直。如果主風輪沒有對準風向，則側風輪會被風吹動，產生偏向力，通過蝸輪蝸桿機構使主風輪轉到對準風向為止。

（3）風向跟蹤裝置調向　對大型風力發電機組，一般采用電動機驅動的風向跟蹤裝置來調向。整個偏航系統由電動機及減速機構、偏航調節系統和扭纜保護裝置等部分組成。偏航調節系統包括風向標和偏航系統調節軟件。風向標對應每一個風向都有一個相應的脈沖輸出信號，通過偏航系統軟件確定其偏航方向和偏航角度，然后將偏航信號放大傳送給電動機，通過減速機構轉動風力機平臺，直到對準風向為止。如機艙在同一方向偏航超過3圈以上時，則扭纜保護裝置動作，執行解纜。當回到中心位置時解纜停止。

2.4.4　傳動機構

風力機的傳動機構一般包括低速軸、高速軸、增速齒輪箱、聯軸節和制動器等（圖2-12）。但不是每一種風力機都必須具備所有這些環節，有些風力機的輪轂直接連接到齒輪箱上，就不需要低速傳動軸。也有一些風力機（特別是小型風力機）設計成無齒輪箱的，風輪直接驅動發電機。

風力機所采用的齒輪箱一般都是增速的，大致可以分為兩類，即定軸線齒輪傳動和行星齒輪傳動。定軸線齒輪傳動結構簡單，維護容易，造價低廉。行星齒輪傳動具有傳動比大、體積小、質量小、承載能力大、工作平穩和在某些情況下效率高等優點，缺點是結構相對較復雜，造價較高。

2.4.5　塔架

風力機的塔架除了要支撐風力機的質量外，還要承受吹向風力機和塔架的風壓，以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動特性有密切關系，特別對大、中型風力機的影響更大。