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
风力发电机结构及原理
机舱：
机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。
维护人员可以通过风电机塔进入机舱。
机舱左端是风电机转子，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：
转子轴心附着在风电机的低速轴上。
低速轴：
风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。
图中显示了风电机偏航。
通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。
电子控制器：
包含一台不断监控风电机状态的计算机，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电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。
液压系统：
用于重置风电机的空气动力闸。
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。
一些风电机具有水冷发电机。
塔：
风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塔顶。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
低阻力立轴风力机的原理
该风力机是一种低阻力立轴风力机，不同于现有阻力差转动立轴风力机，完全达到低阻力设计，无风向调整系统，保留了阻力差转动立轴风力机简单、易制做、易安装的特点:
低阻力立轴风力机的原理是在一根主立轴上等分的位置分别用机械的方法固定四根向四面伸出同等长度的横臂，在每条横臂的同一方向上固定同等间距、同等数量、同等规格的风叶立轴，在风叶立轴上固定可以转动的风叶，风叶的活动范围由缓冲器控制在与横臂水平和垂直的1/4园弧范围内。
所有活动风叶在遇有不同方向来风时有的正面接受风的压力，有的斜面接受风的压力，有的顺风走。
“低阻力立轴风力机”有很强的捕风能力，及非常好的控制方法。
可用在并网发电、离网供暖、及高速公路旁自带电源的大的旋转广告牌、路灯自供电等领域。
因为它独有的工作方式，使安装、检修非常方便，同时可以产生很大的扭转力矩。
小型风力发电机的发电原理
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，通过逆变器后变成了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
风力发电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。
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。
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。
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。
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。
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。
2009年5月，国家投资3万亿资金支持新能源，特别是风力发电行业
frp是什么?
用处是什么?
是玻璃钢（fiberreinforcedplastic）吗？
那是一种复合材料
FRP（FiberReinforcedPlastics）即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体，俗称玻璃钢。
1.什么叫玻璃钢？
玻璃钢是一种塑料，是用玻璃纤维增强的塑料，可用英文字母FRP表示。
塑料，从字面上讲，是指可塑性的材料，现在一般是指人造塑料，即由树脂加上各种添加剂制成的，如果树脂中没有添加任何添加剂则不能称为塑料，只能叫做树脂。
因树脂有热塑性和热固性之分，所以塑料也分为热塑性和热固性两种。
如果用玻璃纤维去增强热塑性塑料，可称为热塑性玻璃钢：
如果用玻璃纤维增强热固性塑料，就叫做热固性玻璃钢。
目前生产的玻璃钢主要指热固性而言。
如果从材料使用角度来看，FRP是一种复合材料，如果从其本身的复合结构来看，把FRP又可以看作一种结构。
2、FRP有哪些特性和不足？
答：
FRP有如下特性。
（1）轻质高强
相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的1/4~1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。
因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。
某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。
注：
比强度即强度除以密度。
（2）耐腐蚀性能好
FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。
已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。
（3）电性能好
是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。
高频下仍能保护良好介电性。
微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。
（4）热性能良好
FRP热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m·h·K），只有金属的1/100~1/1000，是优良的绝热材料。
在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。
（5）可设计性好
①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。
②可以充分选择材料来满足产品的性能，如：
可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。
（6）工艺性优良
①可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。
②工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。
不能要求一种FRP来满足所有要求，FRP不是万能的，FRP也有以下一些不足之处。
（1）弹性模量低
FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×106）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。
可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。
（2）长期耐温性差
一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降。
但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200~300℃是可能的。
（3）老化现象
老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外线、风纱雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。
（4）层间剪切强度低
层间剪切强度是靠树脂来承担的，所以很低。
可以通过选择工艺、使用偶联剂等方法来提高层间粘结力，最主要的是在产品设计时，尽量避免使层间受剪。
3、FRP有哪些生产方法？
答：
基本上分两大类，即湿法接触型和干法加压成型。
如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、RTM法、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。
手糊成型又包括手糊法、袋压法、喷射法、湿糊低压法和无模手糊法。
目前世界上使用最多的成型方法有以下四种。
①手糊法：
主要使用国家有挪威、日本、英国、丹麦等。
②喷射法：
主要使用国家有瑞典、美国、挪威等。
③模压法：
主要使用国家有德国等。
④FTM法：
主要使用国家有欧美各国、日本。
我国有90%以上的FRP产品是手糊法生产的，其他有模压法、缠绕法、层压法等（见第十一章）。
日本的手糊法仍占50%。
从世界各国来看，手糊法仍占相当比重，说明它仍有生命力。
手糊法的特点是用湿态树脂成型，设备简单，费用少，一次能糊10m以上的整体产品。
缺点是机械化程度低，生产周期长，质量不稳定。
近年来，我国从国外引进了挤拉、喷涂、缠绕等工艺设备，随着FRP工业的发展，新的工艺方法将会不断出现。
人类社会发展的历史与能源的开发和利用水平密切相关，每一次新型能源的开发都使人类经济的发展产生一次飞跃。
在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。
所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。
它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。
在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。
一、何谓风力发电
1．原理
风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，如图1所示。
空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能,从而推动叶轮旋转。
如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。
孩童玩的纸质风车就是风力机的雏形，在它的轴上装个极微型的发电机就可发电。
风力发电的原理这么简单，为什么仅到20世纪的中后期才获得应用呢？
第一，常规发电还能满足需要，社会生产力水平不够高，还无法顾及降低环境污染和解决偏远地区的供电问题；第二，能够并网的风力发电机的设计与制造，只有现代高技术的出现才有可能。
20世纪初期是造不出现代风力发电机的。
那么，现代风力发电机是什么样呢？
下面我们就介绍一下现代风机的结构与技术特点。
2．现代风机
图1所示的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。
一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。
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，现代风机的示意如图2所示。
图一
图二
齿轮箱可以将很低的风轮转速（600千瓦的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（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，600千瓦的风机机舱总重20多吨，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。
业已说明，机舱在水平面旋转，随时跟风。
风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。
在变桨矩风机，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。
在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。
液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。
控制系统是现代风力发电机的神经中枢。
现代风机是无人值守的。
就600千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14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。
现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。
要知道，通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。
风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，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。
并监视齿轮箱、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。
3．风力发电场
现代大型风力发电机，单台容量一般为600-1000千瓦。
目前国际上研制的超大型风力发电机单机容量也只为6MW。
对于一个大型发电场来说，其容量还是很小的。
因此，我们一般将十几台或几十台风力发电机组成一个风电场。
这样既形成一个强大的供电体系，也便于管理，实现远程监控。
同时，也降低了安装、运行和维护的成本。
图3为山东长岛风力发电场一角。
4.怎样利用风力来发电呢?
我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。
风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。
这种风力发电机组，大体上可分风轮（包括尾舵）、发电机和铁塔三部分。
风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。
当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。
桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料（如碳纤维）来制造。
由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。
为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。
铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。
它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。
铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。
发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。
图4是一个风力发电机的结构示意图。
图4风力发电机结构示意图
5.多大的风力才可以发电呢?
一般说来，3级风就有利用的价值。
但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。
据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。
可见风力愈大，经济效益也愈大。
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