风力发电的原理
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2023年2月12日发(作者：)风力发电机原理及结构
风力发电机原理及结构
风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置,它包括风力机
和发电机两大部分.空气流动的动能作用在风力机风轮上,从而推动风轮
旋转起来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力
发电机的机轴上,通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转,发电机将机械
能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程。
1、风机基本结构特征
风力机主要有风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制
动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成.
（1）风轮
风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮.风轮一班有2~3个叶片和
轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。
风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50~70m/s，3
也片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮及降低2%~3％效率。
更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的手里更平
衡，轮毂可以简单些。
1）叶片叶片是用加强玻璃塑料（GRP)、木头和木板、碳纤维强化塑
料（CFRP）、钢和铝职称的。对于小型的风力发电机,如叶轮直径小于5m，
选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其他特性，通常用
整块优质木材加工制成,表面涂上保护漆,其根部与轮毂相接处使用良好
的金属接头并用螺栓拧紧.对于大型风机，叶片特性通常较难满足,所以对
材料的选择更为重要.
目前，叶片多为玻璃纤维增强负荷材料，基体材料为聚酯树脂或环氧
树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小，聚
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酯材料较便宜它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险,
即由于收缩变形，在金属材料与玻璃钢之间坑能产生裂纹。
2）轮毂轮毂是风轮的枢纽,也是叶片根部与主轴的连接件。所有从
叶片传来的力，都通过轮毂传到传动系统，在传到风力机驱动的对象。同
时轮毂也是控制叶片桨距(使叶片作俯仰转动）的所在。
轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩.通常安
装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形.
轮毂可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以是铸钢，也
可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代性，如铸造
性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低、成本低等，风力发
电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料.
轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂(柔性轮毂或翘翘板式
露骨）.刚性轮毂由于制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮一班
采用刚性轮毂，且刚性轮毂安装、使用和维护较简单，日常维护工作较少,
只要在设计时充分考虑到轮毂的防腐蚀问题,基本上可以说是免维护的，
是目前使用最广泛的一种形式。
在设计中，应保证轮毂有足够的强度，并力求结构简单,在可能条件下
（如采用叶片失速控制）,叶片采用定桨距结构，即将叶片固定在轮毂上
（无俯仰转动）,这样不但能简化结构设计，提高寿命,而且能有效地降低
成本。
（2）传动系统
叶轮产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机。风力机的传动
系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴器和一个能是风力机在紧急
情况下通知运行的刹车机构等。
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齿轮箱用于增加叶片叶轮转速,从20～50r/min增速到
1000~1500r/min，驱动发电机。齿轮箱有两种:平行轴式和行星式，大型
机组中多用行星式（重量和尺寸优势）。但有些风力机的轮毂直接连接到
齿轮箱上，不需要低速传动轴。还有些风力机（特别是小型风力机)设计
成无齿轮箱的，风轮直接连接到发电机。在整个传动系统中除了齿轮箱，
其他部件基本上一目了然。
传动系统要按输出功率和最大动态扭矩载荷来设计。由于叶轮功率输
出有波动，通过增加机械适应性和缓冲驱动来控制动态载荷，对大型的风
力发电机来说是非常重要的，因其动态载荷很大，而且感应发电机的缓冲
余地比小型风力机小。
机械刹车机构由安装在低速轴或高速轴上刹车圆盘与布置在四周的液
压夹钳构成。
液压夹钳固定，刹车圆盘随轴一起转动。刹车夹钳有一个预压的弹簧
制动力，液压力通过油缸中的活塞将制动夹钳打开。机械刹车的预压弹簧
制动力,一般要求在额定负载下脱网时能够保证风力发电机组安全停机.
但在正常停机的情况下，液压力并不是完全释放,即在制动过程中只作用
了一部分弹簧力,为此,在液压系统中设置了一个特殊的减压阀和蓄能器，
以保证在制动过程中不完全提供弹簧的制动力.
为了监视机械刹车机构的内部状态，刹车钳内部装有温度传感器和指
示刹车片厚度的传感器。
(3）偏航系统（对风装置）
风力机的偏航系统也成为对风装置，是上风向水平轴式风力机必不可
少的组成系统之一。而下风相风力机的风轮能自然地对准风向因此一般不
需要进行调相对风控制.
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偏航系统的主要作用有两个：其一是与风力发电机组的控制系统相互
配合,使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能,提高风力
发电机组的发电效率；其二是提供必要的锁紧力矩,以保障风力发电机组
的安全运行。
风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被
动偏指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常
见的有尾翼、舵轮两种。主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风
动作的偏航方式,常见的由齿轮驱动和滑动两种形式。对于并网型风力发
电机组来说，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式.