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风力发电机的构成部件及其功用

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  风力发电机的组成部件及其功用 风力发电机是将风能转换成机械能, 再把机械能转换成电能的机电设备。 风力发电机通常由风轮、 对风装置、 调速装置、 传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作 情况。图 3-3-4 和 3-3-5 是小型和中大型风力发电机的结构示意图。 图 3-3-4 小型风力发电机示意图 1—风轮 2—发电机 3—回转体 4—调速机构 5—调向机构 6—手刹车机构 7—塔架 8—蓄电池 9—控制/逆变器 图 3-3-5 中大型风力发电机示意图 1—风轮;2—变速箱;3—发电机;4—机舱;5—塔架。 1 风轮 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。其作用是捕捉和吸收风能,并将风能转变成机 械能,由风轮轴将能量送给传动装置。 1 风轮一般由叶片(也称桨叶)、叶柄、轮毂及风轮轴等组成(见图 3-3-6)。叶片横截面形状基本类型有 3 种(见图第 二节的图 3-2-3):平板型、弧板型和流线型。风力发电机的叶片横截面的形状,接近于流线型;而风力提水机的叶片 多采用弧板型,也有采用平板型的。图 3-3-7 所示为风力发电机叶片(横截面)的几种结构。 图 3-3-6 风轮 1.叶片 2.叶柄 3.轮毂 4.风轮轴 图 3-3-7 叶片结构 (a)、(b)—木制叶版剖面; (c)、(d)— 钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面; (e) —铝合金等弦长挤压成型叶片;(f)— 玻璃钢叶片。 木制叶片(图中的 a 与 b)常用于微、小型风力发电机上;而中、大型风力发电机的叶片常从图中的(c)→(f)选用。 用铝合金挤压成型的叶片(图中之 e),基于容易制造角度考虑,从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。叶片的材质在不 2 断的改进中。 1 机头座与回转体 风力发电机塔架上端的部件——风轮、传动装置、对风装置、调速装置、发电机等组成了机头,机头与塔架的联结部件 是机头座与回转体(参阅后面的图 3-3-24)。 (1)机头座 它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件,它牢固如否将直接关系到风力机的安危与寿命。微、小型风力机由于塔架 上方的设备重量轻, 一般由底板再焊以加强肋构成; 大型风力机的机头座要复杂一些, 中、 它通常由以纵梁、 横梁为主, 再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成。焊接质量要高,台板面要刨平,安装孔的位置要精确。 (2)回转体(转盘) 回转体是塔架与机头座的连接部件,通常由固定套、回转圈以及位于它们之间的轴承组成。固定套销定在塔架上部,而 回转圈则与机头座相连,通过它们之间轴承和对风装置,在风向变化时,机头便能水平的回转,使风轮迎风工作。大、 中型风力机的回转体常借用塔式吊车上的回转机构;小型风力机的回转体通常中在上、下各设一个轴承,均可采用圆锥 滚子轴承,也可以上面用向心球轴承以承受径向载荷,下面用推力轴承来承受机头的全部重量;微型风力机的回转体不 宜采用滚动轴承,而用青铜加工的轴套,以防对风向(瞬时变化)过敏,导致风轮的频繁回转。 2 对风装置 自然界的风,方向和速度经常变化,为了使风力机能有效地捕捉风能,就应设置对风装置以跟踪风向的变化,保证风轮 基本上始终处于迎风状况。风力机的对风装置常用的有:尾舵(尾翼)、舵轮、电动机构和自动对风四种。 (1)尾舵 尾舵也称尾翼,是常见的一种对风装置,微、小型风力发电机普遍应用它。尾舵有 3 种基本形式如图 3-3-8 所示,(a) 是老式的,(b)是改进的,(c)为新式的,它的翼展与弦长的比为 2~5,对风向变化反应敏感,跟踪性好。 图 3-3-8 尾舵形式 尾舵常处于风轮后面的尾流区里,为了避开尾流的影响,可将尾舵翘起安装,高出风轮(见图 3-3-9 之 a)。有人研制 的 10kW 左右的风力发电机,将尾舵改进成如力图 3-3-9 之 b 所示的型式,既减少了尾舵面积,又使调向平稳。 3 图 3-3-9 尾舵的进一步改进 尾舵到风轮的距离一般取为风轮直径的 0.8~1.0 值。 尾舵的面积, 在高速风力发电机中, 可取为风轮旋转面积的 4%左右; 而在低速风力发电机中,可取为 10%左右的风轮旋转面积。 (1) 舵轮 在风轮后面、机舱两侧装有两个平行的多叶片式小风轮,称舵轮(也称侧风轮)(见图 3-3-10),其旋转面与风轮扫掠 面相垂直。舵轮的轴带动由圆锥齿轮和圆柱齿轮组成的传动系统,图示的中间齿轮与装在塔架顶端的回转体上的从动大 圆柱齿轮啮合。正常工作时,风力机的风轮对准风向,舵轮旋转平面与风向平行,它不转动。当风向变化时,舵转与风 向成某一角度,在风力作用下舵轮开始旋转,通过传动系统,使风力机的风轮再对准风向,舵轮旋转平面又恢复到与风 向平行的位置,便停止转动。 图 3-3-10 舵轮对风装置 舵轮对风装置比尾舵工作得平稳,多用于中型风力发电机上。其传动装置也可以设计成蜗轮蜗杆式的。 (1) 电动对风装置 电动对风装置常被大型和中型风力发电机采用。图 3-3-11 是国产 FD16.2-55 型风力发电机组对风装置示意图。该装置 的风向感受信号来自于装在机舱上面的风向标。 在风向标的垂直轴上有一个凸轮, 轴的下端有浸没在油缸中的阻尼板 (板 上钻有很多小孔),用以吸收风向听脉动。当风向偏离风轮轴线°时,风向标带动其垂直轴上的凸轮转动,使左侧 或右侧的限位开头接通,经过 30 秒(可任意调时)延时后,交流接触器闭合,起动对风伺服电动机左转或右转,并接 通相应的批示灯。伺服电动机经过减速器带动回转体上的转盘转动,使风轮重新迎风后,限位开关断开,电动机停转, 指示灯熄灭。两只交流接触器互为闭锁,从而保证动作时只能闭合一只,而不会同时接通造成短路。 4 图 3-3-11 电动对风装置 (1) 自动对风风轮 按吹向风力发电机的风先到机舱还是先到风轮,风力机可分为上风向(式)和下风向(式)的(见图 3-3-5)。相应的 风轮配置称为前置式的和后置式的。对于下风向(式)的风力机,可将风轮设计成如力图 3-3-12 的型式,利用风作用 在风轮上的阻力的方法,使风轮自动对准风向,成为自动对风风轮。但当风向变换频繁时,易使风轮摇摆不定,为此应 加阻尼装置,即在回转体外缘对称设置 2~3 对橡胶或尼龙摩擦块,摩擦块支座固定在塔架上,压块对回转盘的摩擦力的 大小用可调节弹簧来调节。这种对风装置 图 3-3-12 自动对风风轮 多用于中、大型风力发电机上。 2 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。 风轮转速的变快, 将使发电机的输出电压、 频率、 功率增加; 当风轮的转速超过设计允许值时,有可能导致机组的毁坏或寿命的减少。为使风轮能稳定一定转速内工作,风力发电机 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停机(风向与风轮旋转平面平行)。 国内外研制了许多风力机的调速装置,归纳起来,就其调速原理大体上可分为三类:减少风轮迎风面积;改变叶片翼型 攻角值和利用空气在风轮圆周切线方向的阻力限制风轮转速。 (1) 减少风轮迎风面积 靠升力旋转的风轮,正常工作时,风轮旋转平面与风向垂直,其迎风面积为叶片回转时所扫掠的圆形面积 A(图 3-3-13 和 3-3-14 之 a 位置)。当风速变大超过额定风速(风力机输出额定功率时的风速)时,为了不让风轮超速旋转,可减 少风轮的迎风面积,使其由圆形变为椭圆形,或缩小圆形的直径,下面列举 4 种方法。 图 3-3-12 自动对风风轮 图 3-3-13 侧翼装置调速原理示意图 5 1—未调速位置;2—调速位置;3—顺浆位置。 图 3-3-14 偏心装置调速原理示意图 1—未调速位置;2—调速位置;3—顺浆位置。 1)侧翼装置(图 3-3-13)。在风轮后面向一侧伸出一支侧翼,翼柄平行地面和风轮旋转面;另一侧配有弹簧。当 风速大于额定风速时,风施加在侧翼压力对回转轴的力矩,大于弹簧拉力对回转轴的力矩,风轮开始偏移,由(a)位 置到(b)位置,若偏转角度为 θ ,则(b)的位置风轮的迎风面积则变成了 (椭圆形),迎风面积减少了,尽管风速 增大了,而风轮的转速并没增加。风速再增大,风轮可能偏转到(c)的位置,迎风面积就更小了。当风速逐渐减少时, 在弹簧的拉力作用下,风轮又恢复到(b)→(a)的位置。 2)偏心装置(图 3-3-14)风轮轴线与机头座回转体的转向轴的轴线有一定的偏心距,另一侧亦设弹簧。当风速超 过额定风速后,风作用在风轮上的正面压力的合力对转向轴的力矩克服弹簧的拉力,风轮偏转到(b)的位置(迎风面 积呈椭圆形)的位置;风再大,到(c)的位置。风速减小时,又依次恢复到(b)→(a)的位置。此图所示是风轮向 侧向偏转的,按同一原理,亦可设计成向上偏转式的。如图 3-3-15 所示。 图 3-3-15 仰头调速 (a)风力发电机在额定风速下运转;(b)超额定风速仰头调速 1) 尾翼升降装置(图 3-3-16)。上述两种调速装置都用了弹簧,但是弹簧暴露于大气中很容易锈蚀,可用配重 或能产生回位力矩的尾舵来代替弹簧。利用尾翼升降进行调节的基本结构是将尾翼与机头的连接转轴向后倾斜一个角 度。当风轮位置(a)→(b)→(c)时,尾舵绕其转轴向轮靠拢,它的相对高度发生了变化,从 B 向看,对应为(aˊ) →(bˊ)→(cˊ)。尾舵重心提高了,产生了回位力矩,当风速变小时,它依次回位(cˊ)→(bˊ)→(aˊ)。 尾舵如此安装,就相当于一个重心能上下变动的配重,用它们位置高度的变化,代替弹簧拉力的作用。 6 图 3-3-16 尾翼升降调节原理示意图 1) 缩小风轮圆形迎风面积。图 3-3-17 所示为叶片用铰链安装在风轮轴上,并借助弹簧的压力保持其设计位置。 当风速超过额定值时,作用在叶片上风的正面力加大,克服弹簧作用力,叶片由实线位置变到虚线位置,风轮扫掠面积 缩小了,转速不再增加;当风速变小时,在弹簧力的作用下,叶片由虚线位置恢复到实线位置。 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 α 值;当然同时也改变了叶片安装角 β 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。 图 3-3-15 仰头调速 (a)力发电机在额定风速下运转;(b)超额定风速仰头调速 7 1)尾翼升降装置(图 3-3-16)。上述两种调速装置都用了弹簧,但是弹簧暴露于大气中很容易锈蚀,可用配重或 能产生回位力矩的尾舵来代替弹簧。利用尾翼升降进行调节的基本结构是将尾翼与机头的连接转轴向后倾斜一个角度。 当风轮位置(a)→(b)→(c)时,尾舵绕其转轴向轮靠拢,它的相对高度发生了变化,从 B 向看,对应为(aˊ)→ (bˊ)→(cˊ)。尾舵重心提高了,产生了回位力矩,当风速变小时,它依次回位(cˊ)→(bˊ)→(aˊ)。尾 舵如此安装,就相当于一个重心能上下变动的配重,用它们位置高度的变化,代替弹簧拉力的作用。 图 3-3-16 尾翼升降调节原理示意图 1)缩小风轮圆形迎风面积。图 3-3-17 所示为叶片用铰链安装在风轮轴上,并借助弹簧的压力保持其设计位置。当 风速超过额定值时,作用在叶片上风的正面力加大,克服弹簧作用力,叶片由实线位置变到虚线位置,风轮扫掠面积缩 小了,转速不再增加;当风速变小时,在弹簧力的作用下,叶片由虚线位置恢复到实线位置。 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 α 值;当然同时也改变了叶片安装角 β 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。 8 1) 叶片重量与弹簧配合装置。图 3-3-19 所示为两叶片风力发电机的风轮,在轮毂上有两个平行的孔洞,孔 内塞有螺旋底面的滑键。叶柄与滑键垂直,叶柄上铣出螺旋槽,滑键插入槽内。当风速超过额定值时,风轮转速加快, 叶片的离心力增大,克服压缩弹簧作用力向外甩出。由于叶柄螺旋槽与装在其内的滑键的制约,叶片在外甩的同时,发 生偏转,攻角改变,升力系数下降,风轮转速不再增加。当风速变小,在弹簧力的作用下,叶片又缩回到原来位置。这 种调速装置曾被称作离心——螺旋槽式调速机构。 图 3-3-19 叶片重量与弹簧配合调速装置示意图 1— 叶片;2—滑键;3—风轮毂;4—叶柄;5—调速弹簧;6—起动弹簧;7—弹簧座;8—开口销;9—螺旋槽。 图 3-3-18 和 3-3-19 两种调速装置多用于中、小型风力发电机上。 1) 液压变桨距调速装置。液压变桨距调速是当代大型风力发电机调速的方式之一。图 3-3-20 是美国 MOD-0 型大型风力发电机变桨距调速装置。它是两个小液压油缸驱动的两个小齿条啮合的一个齿轮,齿轮同轴的大圆锥齿轮再 啮合使叶片变桨距的小圆锥齿轮来实现叶片变桨距调速的。整个变桨距调速装置都安装在轮毂内。液压油通过旋转接头 送至两个小液压油缸。液压油缸及齿轮是微机控制变桨距调速的执行机构。 9 图 3-3-20 美国 MOD—O 型大型风力发电机 液压驱动变桨距调速装置 1—液压小油缸及齿条;2—大圆锥齿轮;3—小圆锥齿条;4—叶片变桨距方向;5—齿条驱动的齿轮。 (1) 利用空气在风轮圆周切线方向的阻力 当风速开始超过额定风速时,设法增加空气在风轮圆周切线方向对叶片的阻力,以抵消叶片升力的再增值,从而达 到风轮转速不再提高的目的。介绍两种装置。 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。 图 3-3-21 阻力翼调速原理示意图 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。 10 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机械传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,当风速超过限定的最大风速时,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;当采用液压制 动器时,除需外电源外,还需油泵、电磁阀、液压油缸和管路等。 11 1 传动装置 风力发电机的传动装置包括增速器与联轴器等。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,为了减少占用空间,往往将联轴器与制 动器设计在一起。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,比较适合风力发 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、过放电的能力较低,过充电 不仅会造成蓄电池容量降低,并可能导致蓄电池失效;过放电将造成蓄电池亏电,严重影响蓄电池的使用寿命。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使用寿命。 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,以满足不同负 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 12 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)。为了保护这些部件,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 3-3-24 下风式风力发电机的机头及机舱 1 塔架 塔架用于把风轮等部件举列设计高度处运行。塔架主要承受两个载荷:一是风力机机头的重力;二是风吹向风轮 等部件的压力(阻力)。塔架的最低高度可按下式考虑(见图 3-3-25): 13 图 3-3-25 塔架的高度要求 (3-3-1) 式中:h——接近风力机的障碍物高度; C——由障碍物顶点到风轮扫掠面最低点的距离;常取 C=1.5~2.0m; R——风轮半径。 塔架的基本形式有 4 种:单管拉线式、桁架拉线式、桁架式和圆台(或棱台)式(见图 3-3-26)。 14 图 3-3-26 塔架的基本结构形式 (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。它结构紧凑、外形美观。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、中型风力发电机基本上都是微机控制。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措施;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, 微机会根据这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。 计算机的飞速发展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 15 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。风力发电系统中经常采用铅电池(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。蓄电池储能被广泛应用,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出来, 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可以采用这种蓄能方法。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出来流向低处并 推动水轮机转动,从而带动发电机发电。这种蓄能方式比较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, 但是需要较复杂的设备。 (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“MW?h 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。 16

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