风力发电机结构及原理.docx
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风力发电机结构及原理
风
力
发
电
机
设
计
前言
一、设计概况
1、风电的需求
2、世界风能开发现状及趋势
3、我国风电产业现状
4、小型风电在我国的应用前景
5、风能的特点及优缺点
6、风能的优缺点
二、结构图
风力发电机的结构
三、工作原理及过程
1、风力发电机原理
2、小型发电机发电原理
四、风电相关知识
风力发电机蓄电池的合理配置
五、结论
一、设计概况
1、风电的需求
随着资源的日益枯竭和环境保护意识的加强，风力发电作为最具竞争力、最
有发展前景的一项可再生能源技术，在全球范围内得到了高度重视。
能源是支持世界经济发展的重要因素和战略资源，随着经济全球化与人口的不断增长，
能源需求日益增加，而地球上石油、天然气、煤炭这三种常规能源的日益枯竭和环境的持续
恶化使得人们一方面注重节能技术的开发与应用，另一方面则着力开发和利用清洁、高效、
可再生的能源。
风能作为一种可再生能源，具有施工简单、周期短、维护费用低、清洁无污染和不消耗任何
燃料等优点，其开发和利用可以减少环境污染、调整电力工业结构，应用于偏远地区还具有
成本优势。
风力发电是最具竞争力、最有发展前景的一项可再生能源技术，将在能源供应中
发挥越来越重要的作用，因此在世界各国得到了广泛的开发和应用。
2、世界风能开发现状及趋势
全球风能资源丰富，约为2.74×109MW，可利用的风能约为2×107MW，比上可开
发利用的水能总量大10倍，而且几乎分布在所有的地区和国家。
自从1973年世界发生石
油危机以来，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，开创了风能利用的新时期。
80年代开始建立示范风电场，成为电网新的电源；到了90年代对环境保护的要求日益严
格，特别是要兑现减排CO2等温室效应气体的承诺，风电的发展进一步加快。
德国和丹麦
是老牌的风电大国，20世纪90年代几乎垄断着风机制造业；进入21世纪，西班牙和印度
迅速成为后起之秀。
风力发电经历了从独立系统到并网系统的发展过程，大规模风力田的建设已成为发达国家风
电发展的主要形式，发电能力每增加一倍，成本就下降15％，近年来全世界风力发电装机
容量的年平均增长率均超过了30％。
3、我国风电产业现状
近年国际石油市场大幅波动，国内能源供应趋向紧张，能源价格也在不断攀升，严重影
响了我国国民经济的可持续发展。
我国能源结构的不合理也造成了严重的煤烟型环境污染，
在气候变化和温室气体排放问题上承受着越来越大的国际压力。
根据世界能源委员会的计
算，风电每提供1000MW的电量，便能减少600顿CO2的排放，将在很大程度上有助于
环境质量的改善。
另外，根据世界银行专家从我国煤电与风电价格的变化趋势估计，风电价
格将从2005年的0.55元／千瓦时，下降到2020年的0.4元／千瓦时左右，而煤电价格
将从近年的0.35元／千瓦时上升到0.4元／千瓦时左右。
由此看来，到2020年，风电
将变成我国一种经济上很具竞争力的电力资源［2］。
我国发展风电的特点是：
（l）在风力资源丰富、电网通达的地区，风力发电作为一种清洁的可再生能源，补充和逐
步替代部分常规能源，缓解电力供应紧张的现状，提高当地的环境质量，以发展大型风电场
为主；
（2）在风力资源丰富或较丰富的边远无电、缺电地区，以发展小型或中型独立运行的风电
系统为主，利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电。
4、小型风电在我国的应用前景
风电技术发展的趋势是单机容量不断增大，但与小容量发电系统相比，它们的造价及引
进费用非常昂贵，更受到风源条件的制约。
而小型风机造价低廉、运输方便，可单独应用于
个别家庭和企业，如果将低价的小型风机并联起来使用，不但能满足负荷需求，还能节省费
用且更具灵活性。
我国可以利用小型风力发电机的地方主要有
（l）东南沿海各孤立的岛屿及农牧区和边远山区：
这些偏远地区居民居住比较分散，
常规能源缺乏，用覆盖电网的方式供电成本较高或根本无法到达，但它们属风能资源丰富区，
用小型风力发电可以很好地解决用电困难问题。
20世纪80年代，内蒙古小型户用风力发
电机组的推广应用，就很好地解决了大多数农牧民的用电问题，使他们的生活方式发生了质
的变化。
（2）航运系统：
如长江航运中的拖船，一般为100一200t，经常被搁置在江中间的
锚地上，用电主要靠蓄电池。
使用风力发电机对蓄电池充电效果很好，这方面已有成功的经
验。
另外，我国大小河流湖泊上的船舶数量惊人，可以用小型风力发电机来解决它们的照明、
收看电视、听广播等日常生活用电。
（3）森林防火高山观察站：
据林业部防火指挥部介绍，东北约有400个观察站，西南
也有几百个高山观察站，各省市都有一些森林高山防火观察站，站上的工作人员从每年10
月到第二年4、5月的防火期期间昼夜在站上值勤，由于山高、道路狭窄崎岖、运输困难，
又不能使用明火，解决他们的生活用电颇为费神，使用小型风力发电机可以基本解决这一问
题。
（4）城市路灯的光伏、风力互补系统：
可节省能源、美化城市环境、减轻空气污染，
提高当地居民的生活质量等。
（5）通风管道：
将小型风力发电系统应用在各工厂的通风管道系统中，节能效果非常
显著。
5、风能的特点：
⑴风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源。
用它发电十分有利。
与火力发电、燃油发电、核电相比它无需购買燃料，也无需支付运费，更无需对发电残渣,大气进行环保治理.风力发电是绿色能源.风力发电是财神爺。
风来、发电、生财。
风是财富。
风是大自然对人类的无私奉献。
⑵风力发电有很強的地域性。
不是任何地方都可以建站的。
它必須建在风力资源丰富的地方。
即风速大、持续时间长。
风力资源大小与地势、地貌有关,山口、海岛常是优选地址。
如新彊达板城、年平均风速6。
2米/秒，内蒙古辉腾锡勒，年平均风速为7。
2米/秒，江西鄱阳湖，年平均风速7。
6米/秒，河北张北，年平均风速6。
8米/秒，辽宁东港，年平均风速6。
7米/秒，广东南澳，年平均风速8。
5米/秒，福建平潭岛全县年平均风速8。
4米/秒，平潭县海潭岛，年平均风速为8。
5米/秒，年可发电风时数为3343小时，为目前中国之冠。
（以上数字引自“全国风力发电信息中心的并网风电场介绍”）。
南海的南沙群岛，该岛一年连续刮六级以上大风有160天。
在我国這样的地方还有许多许多正等待我们去探索、发现。
⑶风的季节性，决定了風力发电在整个电网中处于＂配角″地位。
对它的使用有三种运行方式：
A:
能源利用：
风力发电机,机群并网运行。
有风发电，电能送入电网。
无风不发电。
B:
无电网的高山，海岛，牧区:
风力发电机与柴油发电机并联运行。
有风时风力发电,无风时柴油发电机犮电。
对用户来説时时都有电。
C:
同上无电网地区，要求不使用柴油发电，时时有电供应:
採用蓄电池儲能的AC-DC-AC，即交，直，交风力发电系统。
也就是有风时,风力发电机发出交流电,经整流为直流电对蓄电池充电。
再利用电力电子器件制造的＂逆变器″将蓄电池中的直流电转化为三相恒频恒压的交流电。
这种系统多用在高山雷达站、微波中继站，海洋灯塔,航标灯场合。
6、风能的优缺点
优点：
1、清洁，环境效益好。
2、可再生，永不枯竭。
3、基建周期短、投资少。
4、装机规模灵活。
5、技术相对成熟。
缺点：
1、噪声，视觉污染。
2、占用大片土地。
3、不稳定，不可控。
4、目前成本仍然很高。
二、结构图
风力发电机结构组成
机舱：
机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。
维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。
机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。
转子叶片：
捉获风，并将风力传送到转子轴心。
现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。
轴心：
转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
低速轴：
风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。
在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。
轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
齿轮箱：
齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。
高速轴及其机械闸：
高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。
它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。
发电机：
通常被称为感应电机或异步发电机。
在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
偏航装置：
借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
图中显示了风力发电机偏航。
通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。
电子控制器：
包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。
为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
液压系统：
用于重置风力发电机的空气动力闸。
冷却元件：
包含一个风扇，用于冷却发电机。
此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。
一些风力发电机具有水冷发电机。
塔：
风力发电机塔载有机舱及转子。
通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。
现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。
它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。
管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达顶。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
风速计及风向标：
用于测量风速及风向
下图为风机结构图
三、工作原理及过程
1、风力发电机的原理
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
风力研究报告显示：
依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。
下面先看风力发电机结构图。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行;我国也在西部地区大力提倡。
小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：
风力发电机+充电器+数字逆变器。
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。
每一部分都很重要，各部分功能为：
叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机结构图指出：
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25v变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。
然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220v市电，才能保证稳定使用。
通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。
风力发电机结构图显示：
目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。
功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。
在内地，小的风力发电机会比大的更合适。
因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。
当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200w风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500w甚至1000w乃至更大的功率出。
现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。
如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。
最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。
最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。
为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。
齿轮箱可以将很低的风轮转速（1500千瓦的风机通常为12-22转/分）变为很高的发电机转速（发电机同步转速通常为1500转/分）。
同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。
偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。
要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。
风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。
对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。
在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。
早期采用液压系统用于调节叶片桨矩（同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用），现在电变距系统逐步取代液压变距。
就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。
然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。
现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。
理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。
风力发电机结构图显示：
风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网;同时监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机，属于无人值守独立发电系统单元
2、小型发电机发电原理
在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能（转速+扭矩）。
风轮的轮毂固定在发电机轴上，风轮的转动驱动了发电机轴的旋转，带动永磁三相发电机发出三相交流电。
风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。
发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。
从蓄电池组输出的直流电，通过逆变器后变成220伏的交流电，供给用户的家用电器。
应用范围：
提供220伏交流电或24伏36伏或48伏直流电照明:
灯泡,节能灯
家用电器:
电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱；通讯装置；电动工具
四、风电相关知识
风力发电机蓄电池的合理配置
200W（建议使用蓄电池型号105AH两块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，立杆，拉线，防水电缆，300W逆变器。
适用于：
40W日光灯，电视，无风时可使用2天至3天。
充电时长13小时，年平均风速7米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
610度。
300W（建议使用蓄电池型号150AH两块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，立杆，拉线，防水电缆，500W逆变器。
适用于：
日光灯，电视，无风时可使用2天至3天。
充电时长9小时，年平均风速7米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
888度。
400W（建议使用蓄电池型号150AH两块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，立杆，拉线，防水电缆，500W逆变器。
适用于：
日光灯，电视，无风时可使用2天至3天。
充电时长7小时，年平均风速8米每秒时，运行4000小时累计1140度。
500W（建议使用蓄电池型号150AH两块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，立杆，拉线，防水电缆，800W逆变器。
适用于：
日光灯，电视，无风时可使用2天至3天，充电时长.5小时，年平均风速8米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
1600度。
800W（建议使用蓄电池型号200AH）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，立杆，拉线，防水电缆，1KW逆变器。
适用于：
日光灯，电视，无风时可使用.3天至4天。
充电时长5小时，年平均风速8米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
2400度。
1KW（建议使用蓄电池型号200AH两块、四块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，立杆，拉线，防水电缆，1500W逆变器。
适用于：
日光灯，电视，550W单相水泵。
无风时可使用3天至5天。
充电时长6小时，年平均风速9米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
2600度。
2KW（建议使用蓄电池型号200AH四块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，立杆，拉线，防水电缆，2500W逆变器。
适用于：
日光灯，电视，750W单相水泵。
无风时可使用3天至6天。
充电时长6小时，年平均风速9米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
4500度。
3KW（建议使用蓄电池型号150AH八块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，立杆，拉线，防水电缆，3500W逆变器。
适用于：
日光灯，电视，750W单相水泵，无风时可使用4天至7天。
充电时长6小时，年平均风速9米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
7326度。
5KW（建议使用蓄电池型号300AH20块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，独立钢管，防水电缆，5KW逆变器。
适用于：
日光灯，看电视.750W单相水泵，一些小型感性负载，无风时可使用7天至10天。
充电时长8小时，年平均风速10米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
14000度。
10KW（建议使用蓄电池型号400AH20块）所有附件：
发电机，叶轮，回转体，尾舵，独立钢管，防水电缆，10KW逆变器。
适用于：
日光灯，看电视.750W单相水泵，空调，一些小型感性负载，无风时可使用7天至10天。
充电时长8小时，年平均风速10米每秒时，运行4000小时，累积发电量：
28000度。
五、结论
风能作为一种可再生能源，具有施工简单、周期短、维护费用低、清洁无污染和不消耗任何
燃料等优点，其开发和利用可以减少环境污染、调整电力工业结构，应用于偏远地区还具有
成本优势。
风力发电是最具竞争力、最有发展前景的一项可再生能源技术，将在能源供应中发挥越来越重要的作用，因此在世界各国得到了广泛的开发和应用。
风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。
风力发电利用的是自然能源。
相对柴油发电要好的多。
但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。
风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用.
使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。
而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。
而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。
山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。
家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。
在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。
无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。
居住在内蒙古大草原的我深深的感受了到了蒙古草原风的厉害，而这又是一笔还未被充分利用的宝贵资源，故我们设计些小型风机正好满足农牧民用电的需求，既能合理利用资源，又能减少环境污染，很有发展前途啊。
下图为小型机商业化后的造型。
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