风力发电机的组成部件及其功用 利用减少风轮迎风面积的调速方法，多用于15kW以下的微型、小型及中型风力机上。（1）改变叶片翼型攻角值前已述及，叶片升力与翼型攻角值有着密切的关系。改变翼型攻角的基本方法是：当风速达到一定量值后，设法使叶片能绕叶片长度方向的转动轴回转某一角度，改变了攻角值；当然同时也改变了叶片安装角值。风速再变大，而叶片升力却不再增加；甚至随叶片阻力的增大，可使风轮转速变慢降低。利用改变叶片翼型攻角值的调速方法，常被称作变桨距调速法。不同风轮上的叶片有两种安装型式：一种叶片安装后可绕其长度方向的转动轴转动，...
，多用于15kW以下的微型、小型及中型风力机上。（1）改变叶片翼型攻角值前已述及，叶片升力与翼型攻角值有着密切的关系。改变翼型攻角的基本方法是：当风速达到一定量值后，设法使叶片能绕叶片长度方向的转动轴回转某一角度，改变了攻角值；当然同时也改变了叶片安装角值。风速再变大，而叶片升力却不再增加；甚至随叶片阻力的增大，可使风轮转速变慢降低。利用改变叶片翼型攻角值的调速方法，常被称作变桨距调速法。不同风轮上的叶片有两种安装型式：一种叶片安装后可绕其长度方向的转动轴转动，这种风轮称为变桨距风轮；另一种叶片与轮毂的连接是固定的，叶片不能绕叶柄方向的轴转动，这种风轮称为定桨距风轮。下面介绍利用改变叶片攻角值进行调速的3种方法。1）配重（飞球）与弹簧配合装置（图3-3-18）。当风轮转速达到额定值时，风速再增大，风轮转速再加快，配重（飞球）的离心力将克服套管（未绘了出）中弹簧的作用力，向外移动，这时曲柄将拉动叶片轴（柄）转动，改变叶片横截面的弦与吹来的风之间的夹角（攻角），升力系数随之减少，升力不再增大，风轮的转速也就不再增加。当风速减小时，在弹簧的作用下，配重与叶片又都恢复到原来的状态。a)阻力翼 图3-3-21所示，在风轮轮毂上焊有两个支臂，两处弧板（阻力翼）铰接在支臂上，与弹簧构成了一个风载系统。当风轮转速超过额定转速时，弧板的离心力超过了弹簧的拉力，甩出向外，它回转面积增大，受到的空气阻力也变大，阻尼风轮转速的增加；当风速变小时，在弹簧的作用下，弧板又恢复到了原来的位置。a)阻尼板 图3-3-22所示，在叶片尖端铰接着带弹簧的阻尼板（也称扰流器），在额定风速内弹簧的拉力使阻尼板靠在叶片尖端面上；当风速变大使风轮转速超过额定值后，阻尼板的离心力克服弹簧的拉力向外张开，拢动气流，增加了风轮的转动阻力，限制了风转的转速增大。当风速变小，阻尼板又回靠在叶片尖端面上。图3-3-22阻尼板调速原理示意图上述扰流器是装在叶片的尖端，在功率较大的风力机上，有的将其设置在距叶尖1/3的长度段内，在风轮未超速旋转时，阻尼板面与叶片表面贴合着，无阻碍作用。阻尼板开始张开起调速作用的动作，可以靠风轮转动的离心力；也可根据风轮转速信号由液压传动系统或物理运动系统使阻尼装置动作。前者称为被动式的，后者称为主动式的。 5制动器制动器是使风力发电机停止运转的装置（也称刹车系统）。对于微型和小型风力发电机，可采用如图3-3-23所示的刹车机构。图3-3-23小型风力发电机刹车机构图3-3-23（a）是手动停车，人手向下拉刹车绳，则制动刹车带将刹车鼓紧紧抱住而实现停车；图3-3-23（b）是自动停车，当风的速度超越限定的最大风速时，此时刹车风板被大风有力地推动（如图中箭头所示方向），从而带动了刹车杠杆，而杠杆则拉动刹车绳向下并使制动刹车带紧紧抱住刹车鼓而实现自动停车。刹车风板面积的大小与限定的最大风速值之间的配合关系可通过试验来确定。在中型和大型风力发电机中，有采用叶尖气动刹车和机械式刹车组成的制动系统。叶尖气动刹车原理如“扰流器”中所述。机械式刹车一般由液压供油系统、制动闸卡钳和制动盘组成，需停车时，由液压驱动的卡钳动作将制动盘卡值，使风力机停止转动。功率较大的风力发电机，也有应用电磁制动器和液压制动器的。当采用电磁制动器时，需有外电源；当采取了液压制动器时，除需外电源外，还需油泵、电磁阀、液压油缸和管路等。1传动装置风力发电机的传动装置包含增速器与联轴器等。通常，风轮的转速低于发电机转子需要的转速，所以要增速（有的微型风力发电机不设增速器而直接连接）。增速器与发电机之间用联轴器连接，为减少占用空间，往往将联轴器与制动器
在一起。风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联轴器。风力发电机的增速器和联轴器，与机械行业中常用的没用多大差异，就不多述。2发电机发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备。风力发电机上常用的发电机有4种：（1）直流发电机。常用在微、小型风力发电机上。直流电压为12V、24V、36V等。中型风力发电机上也有用直流发电机的。（2）永磁发电机。常用在小型风力发力发电机上，中、大型风力发电机上一般不用，其电压为115V、127V等，有交流也有直流。最近我国发明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以制成多极低转速，更适合风力发电机用。（3）同步交流发电机。它的电枢磁场与主磁场同步旋转，同步转速。（4）异步交流发电机。它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速略比同步转速低。当并网时转速应提高。交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构相对比较简单、低速发电性能好、对周围无线电设备干扰少等优点，因此，在独立运行的小容量发电系统中，较多地采用永磁式或自励式交流发电机；对于在并网运行的中大型发电系统中，普遍采用同步发电机或异步发电机。3几个电气部件（1）整流器现代风力发电机多数是交流发电机，当需要把风电变成直流向蓄电池充电或直接向直流用电设备供电时，就得将交流电用整流器变成直流电。整流器一般可分为机械整流器装置和电子整流器装置两类。机械整流器一般为旋转机械装置；电子整流装置的确良元器件皆为静止的部件。在风力发电机系统中主要是采用后者。电子整流器又可分为不可控整流与可控整流两类。不可控整流器主要由二极管组成，其整流电路型式常见的有：单相半波、单相全波、单相桥式、三相半波及三相桥式整流电路。可控整流器主要由晶闸管（或称可控硅整流元件）组成，常见的可控整流电路形式有：单相全波、单相桥式、三相半波可控整流电路，三相桥式半控整流电路，三相桥式整流电路等。（2）逆变器由蓄电池或直流发电机输出的是直流电，然而很多用电设备是用交流电的，把直流电变成交流电的设备称为逆变器。如同整流器一样，逆变器也可分为旋转型和静止型两类。旋转型逆变器是指由直流电动机驱动交流发电机，由交流发电机给出一定频率（50赫）及波形为正弦波的交流电。静止型逆变器则是使用晶闸管或晶体管组成的逆变电路，没有旋转部件，输出的波形多为矩形波，需要时也可给出正弦波。静止型逆变器的接线方式也很多，有单相、三相、零式、桥式等等。风力发电系统中多采用静止型逆变器。（3）控制器在风力发电系统中，目前利用最多的储能设备是酸性蓄电池，而酸性蓄电池抗过充电、过放电的能力会比较低，过充电不仅会造成蓄电池容量降低，并可能会引起蓄电池失效；过放电将造成蓄电池亏电，极度影响蓄电池的常规使用的寿命。因此，在风力发电系统中，须配备控制器，保证风力发电机对蓄电池的正常充电，防止蓄电池过充电、过放电，并控制输向用电器的电压。有些控制器同时还具有防止负载短路、过载和自动恢复的保护功能，延长蓄电池及用电器的常规使用的寿命。控制器是由一些电阻、电容、半导体器件、继电器等电子元件组成。控制器像个“开关”，当风力发电机向蓄电池充电时，如果蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路接通，当蓄电池电压上升达到保护电压时，充电控制开关电路截止，以免蓄电池过充电；蓄电池放电时，无论是负载用电还是蓄电池自己慢慢放电，当其电压下降到设定值时，充电控制开关又会接通，进行充电；有些用电设备（如洗衣机、电视机等）启动时电流很大，会造成蓄电池电压突然下降，为避免错误保护，使启动一次成功，控制器有延时保护功能，延时时间在0.5~1s之内可调，以满足多种负载的启动要求。（4）泄荷器与避雷器当蓄电池电已充足了，而风力发电机仍在继续发电。设置一个泄荷器，给发电机提供一个放电通道。泄荷器一般由电阻丝组成，要求它有较强的抗氧化能力，并能适应风力发电机的最大输出功率要求，以防烧毁。风力发电机本身就较高，又常安装在较高的地势上，遭受雷击现象屡见不鲜。因此，在安装风力发电机时，一定要有防雷击设施，装避雷器。4机舱风力机长年累月在野外运转，工作条件恶劣。风力机一些重要工作部件多数集中在塔架的上端，组成了“机头”（见图3-3-24）。为保护这些部件，用罩壳把它们密封起来，此罩壳称为“机舱”。机舱应美观，尽量呈流线型，最好采用重量轻、强度高、耐腐蚀的玻璃钢制作，若用其它材料制造应考虑防锈措施。罩壳的结构应考虑对内部各部件保养、维修方便。 图3-3-26塔架的基本结构及形式（1）单管拉线a）。塔架由一根钢管和3~4条拉线组成。它具有简单、轻便、稳定等优点。微型风力机几乎都采用这种形式的塔架。（2）桁架拉线b）。它是由钢管或角钢焊接而成的桁架，再辅以3~4根拉线组成。桁架的断面形状常见的有等边三角形和正方形两种。中、小型风力机常常采用这种形式塔架。（3）桁架式（图3-3-26c）。它是由钢管或角钢焊接而成的底大顶小的桁架，其断面最常用的是正方形，也有采用多边形的，它不设拉线。下风式的中、大型风力机多采用这种结构及形式的塔架。（4）圆台（或棱台）式（图3-3-26d）。它是由钢板卷制（或轧制）焊接而成的上小下大的圆台（或棱台）。机组的动力盘或控制柜通常就装在塔架的内壁上，无需再建控制室，塔内有直梯通向机舱。它结构紧密相连、外形好看。近年来，上风式大型风力机多采用这种形式的塔架。2风力发电机微机控制现代大、中型风力发电机大多数都是微机控制。微机控制实现了风力发电机的自动启动、停机，自动并网、解列（脱网），自动调向，多台发电机的自动切入、切除，补偿电容的自动切入、切除；电缆的自动解绕；风电机组及电网有故障的自我诊断并自动采取保护的方法；风电机组故障不能自我处理时自动停机并自动在微机终端输出故障原因请求修理；风电机组的远距离控制等，使现代的风力发电机基本达到了无人现场值守的程度。风电机组在运行中，各传感器采集风电机组在运行中的各种运行参数：风电机组的电压、电流、频率；电网的电压、电流、频率；风向、风速、液压的压力、油温、发电机温度、增速器内油温、电缆缠绕、塔架振动、机舱振动等，微机会依据这一些信息按已编好的程序执行各种相应的指令，实施风电机组的自控或远程控制。计算机的快速的提升为风力发电机的自动控制提供了有利条件，使风力发电机的发展进入了一个崭新的阶段。3关于风力发电的储能问题风能是随机性能源，具有间歇性。将风力发电机发出的、用之有余的电能储存起来，以待无风（或小风）时好持续供电，是很有必要的。然而这一问题直到目前，尚没得到完美的解决。下面介绍几种还在应用或研究中的储能方法。（1）蓄电池蓄能当风力发电机组将风能转换为电能后，除向负荷供电外，多余的电能，可以向蓄电池充电，将能量储存在蓄电池内，用电时再输出。风力发电系统中常常采取铅电池（亦称蓄电池）或镍镉电池（也称碱性蓄电池）。如图3-3-4中之“8”所示。蓄电池储能被大范围的应用，但蓄电池使用维护比较烦琐；酸性蓄电池寿命较短，碱性蓄电池价格较高；蓄电池的容量有限，欲多储能，势必造成设备庞杂。（2）飞轮蓄能近一个世纪以来，有很多人设想用风力机发出的过剩的电驱动带一个大飞轮的电动机旋转；或者在风力发电机的轴上再装上一个大飞轮，飞轮转动时以动能的形式将能量储存起来。当风力微弱时，储存在飞轮中的动能被释放开来，带动发电机发电或直接驱动需动能的机械作功。但是，存在待解决的问题：一是要想储存能量多，就得将飞轮做得很大，或者使其转速很高。飞轮太大，势必笨重；转速太高，材质强度不够就会开裂。二是飞轮在释放其储存的能量时，其转速是无级地减少，若无一套理想的跟踪其转速的变速装置，就难以满足飞轮所拖动的发电机或其它作功机械对转速的要求。（3）抽水蓄能在地形条件适合的地点能够使用这种蓄能方法。当风力强而负荷所需电能较少时，将风力发电机组发出的多余电能带动抽水机，将低处的水抽到高处的水库中储存起来；当无风或风力弱时，将高处水库中的水释放开来流向低处并推动水轮机转动，从而带动发电机发电。这种蓄能方式更适合在水库的水力发电站附近建有风电场的情况，国外已有应用。（4）电解水储能用多余的风电去电解水，使水分解成氢和氧，将其分别压缩到钢瓶或储气罐中储起来。待用电负荷增加或风弱时，把氢和氧在燃料电池中进行反应生成电能，或用燃氢内燃机拖动发电机发电。电解水储能是一种有发展前途的方法，但要较复杂的设备。（5）压缩空气蓄能利用多余的风电驱动电动机，再由电动机带动空气压缩机将空气压缩后储入罐中，或储存在地下岩洞或废弃的矿坑内；在无风期或用电负荷达到高峰时，则以储存的压缩空气为动力推动涡轮机并带动发电机发电。这种储能方式受资金和条件限制，尚未进和实用阶段。（6）研讨中的其它蓄能方法有人探讨地，用多余的风电驱动绞盘把重物升起，以位能的形式贮存能量。用电时让重物下降，设法将释放的能量转换成电能。用风力致热装置把水加热，这是以热能的形式贮存能量，若将热能再转变成电能使用，需要热水得有足够的容量和温度。随着高温超导磁技术的发展，电力电子技术的进步和高强度复合材料的出现，美国、日本以及我国，正在研制储存能量“MWh级”的高温超导磁悬浮轴承飞轮储能装置，有望取得成功。（7）风电的并网储存电能从广义来讲，并网发电是最简便、最有效、最有前途的“贮电”方式，多余的电送给电网公用，当无风或风小时，风力发电机不发民或发电不够用时，再从电网“取电”给用电设备。值得指出的是电业管理部门，一般只允许发电额定功率大于500kW时，才可申请并网，并且对发电质量有较严格的要求。
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