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风力发电机简述研究材料
风力发电机简述
日益加剧的世界能源危机和环境恶化问题，迫使人类在能源使用方式和能源使用类型选择上做出改变。
节能减排、开源节流，发展低碳化经济等一系列体现环境友好的政策陆续出台。
在世界范围内掀起了以保护环境，促进人类可持续发展为特征的新能源产业运动。
其中，以风能为能源来源的风力发电产业在近期发展迅速，成为新能源产业里发展最具产业性、系统性、商业性的产业。
本文将简要介绍风力发电机的发展历史和水平轴风力发电机原理与技术。
一、风力发电概念
1.1相关概念
风能是指：
地球表面大量空气流动所产生的动能。
由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。
简单地说，风能就是“风"所蕴藏的能量。
由定义可以知道它包含六层含义：
第一，风能是太阳能的一种形式；第二风能是一种动能；第三风能的分布是全球性的；第四，风能是一种自然界本身自有的既存的能量形式；第五，是不排放污染物的清洁能源；第六，是可以再生的能源。
对风能进行界定最重要的结论莫过于其是一种可利用的清洁的资源。
亦即，风能是可以持续利用的与自然环境“友好”的自然资源。
风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中以风力发电为主要的利用方式。
以风能作动力其实就是利用风的运动带动机械装置实现人类生产和生活目的。
风力发电则是将风的动能转化成电能的形式。
风力发电机也就是将风能转化成电能的装置。
1.2风能利用的优势
风能利用具有巨大的优势，主要表现在以下几点：
（1）风力资源非常丰富；
（2）风力资源是清洁型，节约型能源；
（3）风能是一种便宜的能源；
（4）风能对土地的占用率极小；
（5）风能非常安全；
（6）内陆地区的风能利用能带来更好的经济效益；
（7）风能利用的巨大优势；
（8）风能技术有广泛的适用性；
（9）风能技术对于发展中国家来说是比较理想的；
（10）风能的利用是一种先进技术的利用；
（11）风能的发展增加就业机会；
（12）风力发电机有非常好的可靠性。
1.3风能利用的局限
虽然风能是一种可以利用的自然界白生能源，但其自然属性不因人类的科技技术能力的提升的而有改变，人类对风能的利用只是在无限的了解其自然属性。
因其自然属性之下生成的利用风能困难的表现：
第一，时间与地点相异的条件下，太阳辐射强弱不一导致气压差大小的多变，因而使得风的流动快慢不一，表现在：
风速不稳定，产生的能量大小不稳定，这种不稳定性是人力无法改变的。
第二，太阳辐射的“全球性”反而成为了风能利用的极大限制因素。
地球表面的地貌状况是千变万化的，太阳辐射产生的气流运动因地理状况而存在差异。
适合人类生存的地理环境不一定会有丰富的风能，且一般情况下风能资源丰富的地区是不适合人类聚居的。
故而风能全球性分布的价值性因风能自然属性与人类社会发展相冲突大打折扣。
相对于风能不稳定产生的不利益因素来说，风能蕴藏区的分布与人类社会发展的矛盾性在很大程度上是可以解决的。
除此之外，人类自身的智力局限性也影响到风能的利用。
表现在：
科技水平的发展还不足以完全驾驭风能，利用风能的设备还不足以将风能的不稳定性的难点克服，所以能源转换率低。
风能利用的科技技术还不是相当的纯熟。
二、风力发电机发展历史
自十九世纪末至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。
1888年美国电力工业奠基人之一CharlesF.Brush安装了被现代人认为是第一台自动运行且用于发电的风力机。
图2.1CharlesF.Brush和其开发的风力机
1890年丹麦的拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。
世界上第一个风力发电期刊《JournalofWindElectricity》也是由PoullaCour创立的。
图2.2拉库尔（右）及其风机
1918年，丹麦约有120个地方公用事业拥有风力发电机，通常的单机容量是20-35kW，总装机约3MW。
这些风电容量当时占丹麦电力消耗量的3%。
丹麦对风力发电的兴趣在随后的若干年逐渐减退，直到二次世界大战期间出现供电危机为止。
在二次世界大战期间，丹麦工程公司F.L.Smidth（现在是水泥机械制造商）安装了一批两叶片和三叶片的风机。
丹麦风机制造商已经生产出了两叶片的风机，尽管所谓的“丹麦概念”是三叶片的风机。
所有这些风机（与它们的前辈一样）发的是直流电。
这些三叶片F.L.Smidth风机于1942年安装在Bobo岛，它们看起来很象“丹麦”风机。
这些风机是风-柴系统中的一部分，给小岛供电。
1951年，这些直流发电机被35kW的交流异步发电机取代，如此一来，第二台生产交流电的风机问世了。
图2.3F.L.Smidth两叶片和三叶片风机
1957年200kWGedser风力发电机安装在丹麦Gedser海岸，三叶片带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，是现代风力发电机的设计先驱。
创新的200KWGedser风力发电机在1956-57年由JohannesJuul为SEAS电力公司建成，风机安装在丹麦南部的Gedser海岸。
三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。
这台风力机是失速调节型风力机，JohannesJuul发明了紧急气动叶尖刹车，在风机过速时通过离心力的作用释放。
基本上，现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。
这台风力发电机，在随后的很多年中一直是世界上大的。
它在无需维护的情况下，运行了11年。
风力机的机舱和叶轮现在在丹麦电力博物馆中展出。
图2.4Gedser200kW风机发电机
在1973年第一次石油危机后，几个国家起对风能的兴趣重新点燃。
在丹麦，电力公司立即把目标放在的制造大型风力发电机上，德国、瑞典、英国和美国也紧跟其后。
1979年，他们安装了两台630KW风力发电机，一台是桨矩控制的，另一台是失速控制的。
1973年的石油危机之后，风力发电发展的到一些国家政府大力支持，风力发电由小型逐渐向大中型发展。
80年代后，由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家。
Tvind2MW，叶轮直径54米，同步发电机通过电力电子设备与电网相连。
90年代后开始进入现代风力发电技术，600kW-750kW风力发电机组以及兆瓦级风力发电机组。
三、风力发电机的分类
1.、按主轴与地面的关系分为水平轴风力发电机组合垂直轴风力发电机组。
2.、按功率调节方式可分为定桨距风力发电机、变桨距风力发电机和主动失速风力发电机。
定桨距风机：
桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。
依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。
变桨距调节：
风速低于额定风速时，保证叶片在佳攻角状态，以获得大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。
主动失速调节：
风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。
3、按传动形式可分为高传动比齿轮箱型、直接驱动型和中传动比型。
高传动比齿轮箱型：
风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。
直接驱动型：
应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声，故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。
中传动比齿轮箱（半直驱）型：
这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。
中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。
4、按发电机驱动方式可分为固定转速的异步发电机组型、双馈异步发电机组型和永磁直驱同步发电机组型。
四、水平轴风力发电机的结构
水平轴风力发电机由叶轮，机舱和塔架等组成，具体结构如图4.1所示。
图4.1水平轴锋利发电机结构
图中，1－叶片；2－轮毂；3－机舱；4－叶轮轴与主轴连接；5－主轴；6－齿轮箱；7－刹车机构；8－联轴器；9－发电机；10－散热器；11－冷却风扇；12－风速仪和风向标；13－控制系统；14－液压系统；15－偏航驱动；16－偏航轴承；17－机舱盖；18－塔架；19、变桨距部分。
4.2风轮
4.2.1风轮的结构
风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。
风轮的作用是捕捉和吸收风能。
并将风能转变成机械能。
再由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮由叶片，轮毂和风轮轴组成，具体如图4.2.1。
图4.2.1风轮的组成图
4.2.2风轮捕获风能的功率
以水平轴升力型风力机的风轮为例（下图）来说明风轮功率的计算。
图4.2.2
如图4.2.2，风以速度V吹向风轮时，风轮转动。
设旋转着的风轮其扫掠面积为A，空气密度为，在1s中内流向风轮的空气所具有的动能为
若风轮的直径为D，则
这些风能不可能全部被风轮捕获。
风轮捕获风能并将之转换成机械能．再由风轮轴输出的功率为N（称之为风轮功率）。
它与之比，称为风轮功率系数（或风能利用系数），用Cp表示，即
式中Cp的值为0.2～0.5。
因此，当风轮大小、工作风速一定时，应尽可能提高值，以增大风轮功率。
这是从事风能开发利用的科技人员追求的主要目标之一。
4.3齿轮箱
齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一。
由于风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱。
按传统类型，齿轮箱可分为原著齿轮箱、行星齿轮箱和互相组合的齿轮箱。
按传动的级数可分为单级齿轮箱和多级齿轮箱。
按照传动的方式可以分为：
展开式，分流式，同轴式以及混合式。
4.4调速装置
自然界的风速经常变化。
风轮的转速随风速的增大而变快，发电机的输出电压、频率、功率也增加；当风轮的转速超过额定值时，有可能影响机组的使用寿命，甚至造成设备的毁坏。
为使风轮能以一定的转速稳定地工作，风力发电机组上设有调速装置。
调速装置是在风速大于设计额定风速时才起作用因此，又被称为限速装置。
当风速增至停机风速时，调速装置能使风轮顺桨（风向与风轮旋转平面平行）停机。
五、风电场的选址与布局
5.1风能资源评估
风能资源的精确评估以大量准确的风参数为前提，如风速、风向、温度等，利用定性或定量的方法，通过对风速频率分布、风向分布和风速随时间的变化规律研究，得出风能资源评价的一系列指标。
风能资源评估方法有两种：
（1）统计方法。
利用现有数据资料，按照一定的规律和模式进行统计得出风能资源评估指标；
（2）数值模拟方法。
以计算机为手段，建立大气运动的数学模型，通过对复杂地形数值化、地貌条件和湍流模式的模型化，数值模拟出整个风电场的流体分布情况，得到较高分辨率的风能资源空间分布，得出风能资源评价的一系列指标。
5.2风电场宏观选址
5.2.1基本概念
风电场宏观选址即风电场场址选择。
是在一个较大的地区内，通过对若干场址的风能资源和其它建设条件的分析和比较，确定风电场的建设地点、开发价值、开发策略和开发步骤的过程，是企业能否通过开发风电场获取经济利益的关键。
5.2.2影响因素
风能资源和其它相关气候条件、地形和交通运输、工程地质、接入系统、其它社会政治和经济技术因素。
5.3.3基本原则
1、风能资源丰富，年平均风速一般应大于6m/s，风功率密度一般应大于300W/m2，风速为3~25m/s的小时在5000h以上的地区。
2、风向基本稳定，主要有一个或两个盛行风向（盛行风向：
指出现频率多的风向）。
某一地区基本上只有一个或两个盛行主风向且几乎相反。
这种情况对布机有利。
也有虽然风况较好，但没有固定的盛行风向的地区。
这种情况布机复杂。
3、风速变化小，尽量不要有较大的风速日变化和季节变化。
4、湍流强度小，风机上游障碍物产生的无规则的湍流会使机组产生振动、受力不均。
所以选址时尽量避开粗糙地面和高大建筑物。
一般轮毂高度应高出障碍物8~10m以上，距障碍物的距离为5~10倍障碍物高度。
5、符合国家产业政策和地区发展规划，场址是否已作其它规划，或和规划中的其它项目有矛盾。
6、满足联网要求，联网是风电场实现销售收入的必要条件。
应尽量靠近电网，减少线损和送出成本。
根据电网的容量、结构，确定建设规模与电网是否匹配。
7、具备交通运输和施工安装条件港口、公路、铁路等交通运输条件应满足风电机组、施工机械和其它设备、材料的进场要求。
场内施工场地应满足设备和材料的存放、风电机组吊装等要求。
8、避开灾难性天气频发地区，保证工程安全避免洪水、潮水、地震和其它地质灾害、气象灾害等对工程造成破坏性的影响。
灾害性天气包括台风、龙卷风、雷电、沙暴、覆冰、盐雾等，对风电机组具有破坏性。
选址时要参考地区气象站对历年灾害性天气出现频度的统计，在机组选型和选址上采取措施。
9、满足环境保护的要求，避开鸟类的迁徙路径、侯鸟和其它动物的停留地或繁殖区。
和居民区保持一定距离，避免噪声、叶片阴影扰民。
减少耕地、林地、牧场等的占用。
10、满足投资回报要求，尽力较低的投资和运营成本，获得较高的利润
5.4风电场的围观选址
风电场微观选址即风电机组位置的选择。
通过对若干方案的技术经济比较，确定风电场风电机组的布置方案，使风电场获得较好的发电量。
微观选址的基本原则如下。
1、尽量集中布置。
集中布置可以减少风电场的占地面积，充分利用土地，在同样面积的土地上安装更多的机组；其次，集中布置还能减少电缆和场内道路长度，降低工程造价，降低场内线损。
2、盛行风向。
盛行风向这一参数决定了风电机组在风电场的佳排列方式。
3、地形地貌的影响。
平坦地形，在风电场区及周围5km半径范围内其地形高度差小于50m，同时地形大坡度小于3度。
一般对于场址的盛行风的上风向没有大的山丘和悬崖之类的地形，仍可作为平坦地形来处理。
复杂地形，要考虑山丘、山脊和山崖，谷底风速的变化，海拔风速的变化等。
4、地面粗糙度对风速的影响。
复杂地形主要考虑地面粗糙度和地形特征的影响，主要因素体现在：
地表粗糙度、地表粗糙度指数及上游的障碍物。
5、湍流作用。
湍流是风速、风向的急剧变化造成的，是风通过粗糙地表或障碍物时产生的小范围急剧脉动。
湍流损失通常会造成风力机输出功率减小，并引起风电机组振动，造成噪声，风电机组的疲劳负荷也随着湍流扰动的增加而增加，影响风力机使用寿命。
6、尽量减小风电机组之间尾流影响。
国外有研究成果表明，对单台风电机组，在距风轮2D－3D的顺风中心线处，风速减少35％－45％；在距风轮8D处，风速减少10％。
尾流的直径在距风轮8D－10D为2.6D-2.8D。
对于行距为8－11D，列距为2－3D的布置，第二排的能量损失在10m/s时为8－20％。
在平坦地区进行的7行布置的风电场的测量，其行距为9D，列距2D，第七排比第一排能量约损失20％。
值得注意的是，多行多列布置的能量损失，和地形、地面粗糙度也有关系，所以上述试验只是给我们一个概念。
要减小尾流影响，就要增加风电机组之间的距离。
这和集中布置的原则是矛盾的。
方案比较就要在矛盾中寻求优。
一般而言，机组布置的行距为3D-5D，列距为5D-9D。
单行风电场的风电机小列距为3D，多行风电场的风电机小列距为5D。
风向集中的场址列距可以小一些。
风向分散的场址列距就要大一些。
多行布置时，呈梅花形布置尾流影响要小一些。
7、避开障碍物的尾流影响区。
在风电场中有时会碰到障碍物。
障碍物的尾流的大小和强弱与其大小和体型有关。
研究表明，对于无限长的障碍物，在障碍物下风向40倍障碍物高度，上方2倍障碍物高度的区域内，是较强的尾流扰动区。
风电机组的布置必须避开这一区域。
8、满足风电机组的运输条件和安装条件。
在平坦地形条件下，满足这一原则是很容易的的。
在山区，满足这一原则经常有难度。
要根据所选机型需要的运输机械和安装机械的要求，机位附近要有足够的场地能够作业和摆放叶片、塔筒，道路有足够的坡度、宽度和转弯半径使运输机械能到达所选机位。
9、视觉上要尽量美观。
在与主风能方向平行的方向成列，垂直的方向上成行。
行间平行，列距相同。
行距大于列距发电量较高，但等距布置在视觉上较好。
追求视觉上的美观，会损失一定的发电量，因此在经济效益和美观上，也要有一定的平衡。
5.5风电场的布置
风电场风电机组的排列形式多种多样，但其中任何一台风力发电机组的运转不影响或较小影响前、后、左、右的其他风力机接受大风能。
1.盛行风向不变的风电场风力机的排列。
风力机前后大于7倍风轮直径，左右间隔大于5倍风轮直径，如图5.5.1
图5.4.1盛行风向不变的风电场风力机的排列
2.盛行风向不定的风电场风力机的排列如图5.5.2
图5.5..2盛行风向不定的风电场风力机的排列
3.迎风山坡的风力机排列。
坡上与坡下两相邻风力机高度为0.5~1.5倍风轮直径，左右相距5~7倍风轮直径，如图5.5.3
图5.5.3迎风山坡的风力机排列
六、参考文献
1.
2.唐智技术创新视角下的中国风力发电产业政策研究[学位论文]硕士2010
3.何显富，卢霞，《风力机设计、制造与运行》，化学工业出版社，2009.
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