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1、风能是我国目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在我国蓬勃发展。为了帮助读者了解风力发电知识,我们请风力发电讲座长期从事风力发电研究工作的中国科学院电工研究所倪受元研究员撰写了风力发电讲座,以飨读者。第一讲风力机的类型与结构编者倪受元从能量转换的角度看,风力发电机组由两大部分水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转,工作组成。其一是风力机,它的功能是将风能转换为机械时,风轮的旋转平面与风向垂直,如图11所示。风轮能;其二是发电机,它的功能是将机械能转换为电能。上的叶片是径向安置的,与旋转轴相垂直,并与风轮的本讲首先介绍风力机的类型和结
2、构。旋转平面成一角度(安装角)。风轮叶片数目的多少,1风力机的类型视风力机的用途而定。用于风力发电的风力机一般叶风力机的种类和式样很多,难以一一尽述。但由片数取1~4(大多为2片或3片),而用于风力提水的于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作风力机一般取叶片数12~24。叶片数多的风力机通常用而旋转的风轮,因此,风力机依风轮的结构及其在气称为低速风力机,它在低速运行时,有较高的风能利用流中的位置大体上可分为两大类:一类为水平轴风力系数和较大的转矩。它的起动力矩大,起动风速低,因机,一类为垂直轴风力机。而适用于提水。叶片数少的风力机通常称为
3、高速风力11水平轴风力机机,它在高速运行时有较高的风能利用系数,但起动风速较高。由于其叶片数很少,在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多,因此适用于发电。水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。风轮在塔架的前面迎风旋转,叫做上风向风力机。风轮安装在塔架的下风位置的,则称为下风向风力机。上风向风力图11水平轴风力机机必须有某种调a)高速风力机b)低速风力机6向装置来保持风轮迎风。而下风向风力机则能够自动的。S型风力机风能利用系数低于高速垂直轴或水平对准风向,从而免除了调向装置。但对于下风向风力轴风力机,在风轮尺寸、重量和成
4、本一定的情况下提供机,由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮,这样,塔的功率输出较低,因而用作发电缺乏竞争力。另一类是架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使利用翼型的升力作功,最典型的是达里厄(Darrieus)型性能有所降低。风力机。它是法国人GJMDarrieus于1925年发明12垂直轴风力机的,1931年取得专利权。当时这种风力机并没有受到垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转,如图注意,直到20世纪70年代石油危机后,才得到加拿大12所示。其主要优点是可以接受来自任何方向的风,国家科学研究委员会(NationalResearc
5、hCouncil)和因而当风向改变时,无需对风。由于不需要调向装置,美国圣地亚(Sandia)国家实验室的重视,进行了大量使它们的结构设计简化。垂直轴风力机的另一个优点的研究。现在是水平轴风力机的主要竞争者。是齿轮箱和发电机可以安装在地面上,这对于一个往达里厄风力机有多种形式,如图13所示的型、往需要在一片呼啸的大风中为一台离地面几十米高的H型、型、Y型和菱形等。基本上是直叶片和弯叶片水平轴风力机进行维修服务的人员来说,无疑是一个两种,以H型风轮和型风轮为典型。叶片具翼型剖值得高度评价的特点。面,空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。H型风轮垂
6、直轴风力机可分为两个主要类别,一类是利用结构简单,但这种结构造成的离心力使叶片在其连结空气动力的阻力作功,典型的结构是S型风轮。它由两点处产生严重的弯曲应力。另外,直叶片需要采用横个轴线错开的半圆柱形叶片组成,其优点是起动转矩杆或拉索支撑,这些支撑将产生气动阻力,降低效率。较大,缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流,从而对型风轮所采用的弯叶片只承受张力,不承受离心力它产生侧向推力。对于较大型的风力机,因为受偏转与载荷,从而使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的安全极限应力的限制,采用这种结构形式是比较困难张力比弯曲应力要强,所以对于相同的总强度,型
7、叶片比较轻,且比直叶片可以以更高的速度运行。但型叶片不便采用变浆距方法实现自起动和控制转速。另外,对于高度和直径相同的风轮,型转子比H型转子的扫掠面积要小一些。综上所述,目前用于风力发电的风力机主要有两种类型,一种是水平轴高速风力机,一种是垂直轴达里厄型风力机,这两者之中又以前者占绝大多数。除此之外,国外还提出了一些新概念型风能转换装置,但从总体上来说,都尚处于研究试验阶段,这里不再一一介绍。2风力机的结构和组成风力发电机的样式虽然很多,但其原理和结构总的说来还是大同图12垂直轴风力机a)S型风轮b)达里厄型风力机小异的。这里以水平轴风力发电
8、机为例作一介绍,它主要由以下几部图13达里厄风力机的风轮结构7图14风力发电机的结构和组成分组成:风轮、传动机构(增速
