风力发电机结构与分类探讨

摘要：风力发电机可将风能转换为电能，值得各国家深层研究。简单介绍了风力发电机的历史与现状，分析了其机械结构与工作过程以及风力发电机的控制策略，同时也对其分类进行了一定的介绍。

关键词：风力发电机；机械结构；控制策略 1 引言

随着科技的不断进步，社会的不断发展，能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一，同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。现如今风能作为一种无污染的可再生能源备受人们的关注，在一定程度上，风力发电将会成为未来最具潜力的新能源之一。风力发电机组可将风能转换为机械能和电能等。深层次地了解风力发电机结构，可在一定程度上提高其整个系统的性能、效率和供电质量，同时国家在这方面也很十分的重视，国家的科技人员都一直着力于风电技术的研究与开发，国家发改委更是制定了《乘风计划》与《光明工程》计划。

2 风力发电机历史与现状简介

据记载可知，我国是世界上利用风能最早的国家之一。早在三千年前，人们就利用风帆来提供动力用于航运；同时在一千多年前就有人发明了帆布风车提水机，其用途在于用于农田的灌溉等。在改革以前，我国风力发电的发展明显落后。但是经过多年来相关技术人员的研究和不断的开发，现如今我国的风力发电机已经有了一定的成就。目前，在我国的内蒙古，新疆地区，小型的风力发电机组已被广泛使用。随着科技的不断发展，国家加大了这方面的研究，将力学、动力学、新材料和计算机技术等应用到风力发电机组的研究中，取得了不错的效果。国家还着力于研究大型风力发电机，同时和国外的技术人员进行交流，引进先进设备、材料等组建风电场等，在一定程度上，促进了我国风电事业的发展。 3 风力发电机机械结构分析与工作过程 3.1 风力发电机机械结构分析

目前占市场主流的是水平轴风力发电机，平时说的风力发电机通常也是指水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用，但是用来发电还是近10多年的事。与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不用对风向，转速低，无噪音等优点，但同时也存在起动风速高，结构复杂等缺点，这都制约了垂直轴风力发电机的应用。所以本文就只对水平轴风力发电机的结构进行了分析。

大型水平轴风力发电机的结构组成成分包括：（1）塔架、（2）风轮、（3）机舱、（4）控制系统等部件。

（1）塔架。塔架的作用在于对整个风力发电机的安装与支撑，由于不同的需要，塔架的结构主要有如下三种，分别是：①型钢桁架结构、②混凝土结构、③圆锥型钢管结构。其中桁架式塔架造价虽低但维护不方便，钢管结构由钢板卷制焊接而成，有结构紧凑、安全可靠、维护方便、外形美观等优点，已逐渐广泛应用。

（2）风轮。风轮的作用在于接受风能，其组成主要是由2~3个叶片安装在轮毂上，经过相关技术人员的研究与大量的实验数据可知：对于大型风力发电机而言，当其叶片的直径在60m以上或者100m以上时，其接受风能的能力会更好。在技术方面，由于叶片的角速度是相同的，但是其距离旋转中心不同半径处叶片的线速度是不相同的，所以叶片不同处接受风的能量也是不相同，但是具有一一对应关系。技术人员为了使得叶片各部分接受风的能量大致相同，所以对叶片结构进行了一定程度的加工，通过对大量实验数据的对比，最终将叶片的结构制造成了从叶片根部至叶片尖部是渐缩的，同时扭转了一定角度的机翼型扭曲叶片。 由于风电发电机组经常被使用在具有风沙的地方，所以风轮叶片都具有一定的承受沙暴侵袭的能力，同时其也具备防雷的效果。 3.2 风力发电机的工作过程

由于风方向的不定，所以风轮必须时刻正对风的方向，而大型的风轮是不能由人力来控制其转向的，进而在风力发电机的机舱转盘底座上安装了调向机构，以便可以随时根据需要调整风轮的转向，使发电机可以正常的工作，为人们提供能量。对于调向系统而言，其必须具有自动解缆和扭缆的保护装置，以便可以更好地工作，不致在工作中出现问题。

同时由于风有大小之分，并且风轮的直径比较大，所以在运行时，风轮的转速是比较低的。为了使其满足发电机的转速要求，技术人员便在低速的风轮轴和高速的发电机轴之间安装了增速器，增速器的功能在于使转速可以达到额定转速，这样发电机才可以正常的工作。需要注意的是并不是风速越大越好，而是要将风速控制在许可的范围内，这样风力发电机才可以正常发电。所以风电场都是具有测风装置的，其装置主要是风速仪，同时每个风力发电机还必须具备一套完整的调速装置，其作用在于当风速过大的时候，可以在一定程度上降低风速使发电机可以正常的工作，而不致于被破坏。 4 风力发电机组控制策略

由于鼠笼式异步发电机对风能的利用率较低，本文只对变速恒频发电系统的控制策略进行了分析，因为其可以让风力发电机按比较好的效率运行，尤其是对于大型的风力发电机组。根据相关资料得知，目前变速恒频发电系统已经逐步成为了风力发电系统的主要发电方式，备受研究人员重视。

对于不同区域，可以将变速恒频双馈风电机组的基本控制目标分为两类：（1）当风速低于额定风速时，可以利用最大风功率系数Cpmax，以便可以获得最大的风能效果；（2）当风速高于额定风速时，可以利用风的最大输出功率PTmax，以便获得稳定的功率输出，以达到好的工作效果。

根据其运行原理可以这样来描述变速恒频双馈风电机组：（1）风速由零开始变大时，发电机的转速和Cp都不断的上升，并且在切入风速之前，风力发电机组不发出电能而只是做机械转动；（2）但是当风速逐渐达到切入风速时，发电机转速便可以逐渐地达到允许的最高转速，此时发电机组便开始进行发电，发出电能。

如果风速逐渐地增大，那么发电机的转速也会不断地增大，致使其最终达到允许的最值，此时，只要功率低于允许的最大功率，风电机组便会于转速恒定区运行。于转速恒定时，如果风速还是继续地增大，此时的Cp值便不会再继续增加而是略有减小，但是风力发电机的功率不会降低而是持续地增大。但是需要注意的是：一旦风力发电机的功率达到功率极限时，机组便会进入功率恒定区，如果此时的风速还是继续地增大，发电机的转速便会以最高转速运行，而不会再增速。 5 风力发电机类别分析 5.1 根据风力发电机的功率分类

微型风力发电机，其额定功率为50~100W； 小型风力发电机，其额定功率为1~10KW； 中型风力发电机，其额定功率为10~1000KW； 大型风力发电机，其额定功率为1000KW以上； 目前还有公司在进行10MW的超大型风机研发。 5.2 根据风轮轴安装形式分类

其可以分为两类：（1）水平轴风力发电机；（2）垂直轴风力发电机。其中水平轴风力发电机是指叶轮旋转平面与风向垂直的；而垂直轴风力发电机是指叶轮旋转方向与风向平行，它们之间的区别在于垂直轴机型的整机效率低、同时叶尖速度比较低。 5.3 根据风力发电机按作用分类

其也可以分为两类及独立型和并网型。其中独立型风力发电机指的是单台机独立运行工作的中、小型机。而并网型风力发电机指的是以机群布阵的、可以在一定程度上组成风电场运行的中、大型风力机。

5.4 根据风力发电机的运行特征分类

可分为恒速风力发电机、有限变速风力发电机和变速风力发电机。 6 结语

21 世纪是个竞争激烈的时代，能源问题是每个国家必须解决好的问题之一，而风能资源是丰富的、可再生的，所以发展风电产业具有十分重要的意义。现如今各国家都在积极培养相

关人员以便更好地研制风力发电新技术，以在一定程度上降低风力发电成本，好造福人类。由此可见在未来的世纪中，风力发电必将成为各国家的重要发电产业之一。 参考文献

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