小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性

風(fēng)能是沒有公害的能源之一，而且它取之不盡，用之不竭。對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區(qū)、山區(qū)和高原地帶，可因地制宜地利用風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。

把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科的，可持續(xù)發(fā)展的，綠色環(huán)保的綜合技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由兩大部分組成：風(fēng)力機(jī)部分將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；發(fā)電機(jī)部分將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

一、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)分類小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個(gè)發(fā)電機(jī)組成的，而是一個(gè)有一定科技含量的小系統(tǒng)：風(fēng)力機(jī)十風(fēng)力發(fā)電機(jī)十控制器十蓄能裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永礅體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。

小型風(fēng)力發(fā)電按其設(shè)計(jì)的方式與結(jié)構(gòu)可分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)( VAWT)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)( HAWT)兩種。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸與風(fēng)向平行，大部分水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)其葉片會隨風(fēng)向變化而不斷調(diào)整位置，因此較易受地形、地物的影響。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸與風(fēng)向垂直。此型的優(yōu)點(diǎn)為設(shè)計(jì)較簡單，因?yàn)椴槐仉S風(fēng)向改變而調(diào)整方向，可分為打蛋形轉(zhuǎn)子( Darrieus)和桶形轉(zhuǎn)子( Savonius)等[打蛋形轉(zhuǎn)子(Darrieus)是由法國及航天工程師Georges Jean MarieDarrieus于1931年發(fā)明。桶形轉(zhuǎn)子(Savonius)為荷蘭工程師Sigurd J．Savonius于1922年發(fā)明]。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較見表2 -1。

二、水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪軸線的安裝位置與水平面夾角不大于15度的風(fēng)力機(jī)稱水平軸風(fēng)力機(jī)，水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪軸與風(fēng)向平行，風(fēng)輪上的葉片是徑向安置的，與旋轉(zhuǎn)軸相垂直，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度（稱為安裝角）。水平軸風(fēng)力機(jī)葉片如圖2 -1所示。

水平軸風(fēng)力機(jī)可以是升力裝置（即升力驅(qū)動風(fēng)輪），也可以是阻力裝置（阻力驅(qū)動風(fēng)輪）。大多數(shù)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有對風(fēng)裝置，對于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般采用尾舵。水平軸力風(fēng)力機(jī)有傳統(tǒng)風(fēng)車、低速風(fēng)力機(jī)及高速風(fēng)力機(jī)等3大類型。水平軸風(fēng)力機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)有：

(1)風(fēng)輪直徑，通常風(fēng)力機(jī)的功率越大，直徑越大。

(2)葉片數(shù)目，高速發(fā)電用風(fēng)力機(jī)為2～4片，低速風(fēng)力機(jī)大于4片。

(3)葉片材料，現(xiàn)代小型風(fēng)力機(jī)葉片采用高強(qiáng)度低密度的復(fù)合材料。

(4)風(fēng)能利用系數(shù)，一般為0.15～0.5之間。

(5)啟動風(fēng)速，一般為3～5m／s。

(6)停機(jī)風(fēng)速，通常為15～35m／s。

(7)輸出功率，現(xiàn)代小型風(fēng)力機(jī)一般為幾百瓦到幾千瓦。

(8)發(fā)電機(jī)，分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)。

(9)塔架高度等。

水平軸風(fēng)力機(jī)的式樣很多，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪，有的水平軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣沆，增加氣流速度。采用創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計(jì)的FD系列小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)大大降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動阻力，風(fēng)速為2mls時(shí)即可啟動。國內(nèi)外較好水平為3.5～4m]

s啟動。

(2)采用水平軸技術(shù)，降低電機(jī)運(yùn)行中的各種機(jī)械損耗和電磁損耗，使相同風(fēng)速下的發(fā)電功率提高近20%，尤其是低風(fēng)速時(shí)的發(fā)電量提高明顯。

(3)采用水平軸技術(shù)降低電機(jī)的各種損耗后，使用壽命也大為延長。

(4)風(fēng)力發(fā)電機(jī)外殼選用高強(qiáng)度鋁合金經(jīng)精密壓鑄工藝制造，重量輕，強(qiáng)度高，不生銹，耐腐蝕和鹽霧。

(5)發(fā)電機(jī)采用高效耐高溫材料，定子組件又經(jīng)真空浸漆工藝處理，使絕緣性能及使用壽命大為提高。

(6)風(fēng)輪經(jīng)空氣動力學(xué)優(yōu)化軟件精心設(shè)計(jì)，風(fēng)能利用率高，運(yùn)行噪聲小。葉輪經(jīng)動平衡處理，確保運(yùn)行時(shí)安靜平穩(wěn)。葉片采用的高分子復(fù)合材料，具有良好的強(qiáng)度及韌性，重量輕，不變形。其抗拉強(qiáng)度、使用壽命及一致性遠(yuǎn)高于木質(zhì)葉片、玻璃纖維及塑料葉片。

(7)整機(jī)采用防銹處理，所有電機(jī)外部緊固件均為不銹鋼制品。在多雨及鹽霧地區(qū)的使用壽命大為改觀。

(8)結(jié)構(gòu)簡單，無須專業(yè)知識，只需普通工具，進(jìn)行簡單操作，即可完成安裝調(diào)試工作。

(9) FD系列風(fēng)力機(jī)的控制器采用智能控制，對蓄電池的正常充電、過充、過放等各種狀態(tài)具有指示功能和自動保護(hù)功能。并在風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載時(shí)自動剎車，以防止意外飛車。

三、垂直軸風(fēng)力機(jī)垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪不隨風(fēng)向改變而調(diào)整方向，垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直。其優(yōu)點(diǎn)是可以接受來自任何方向的風(fēng)，因而當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，無需對風(fēng)。由于不需要調(diào)向裝置，使它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化。垂直軸風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上，十分便于維修。

雖然目前垂直軸風(fēng)力機(jī)尚未大量商品化，，但是它有許多特點(diǎn)，如不需大型塔架、發(fā)電機(jī)可安裝在地面上、維修方便及葉片制造簡便等，研究日趨增多，研發(fā)出各種形式的垂直軸風(fēng)力機(jī)。

垂直軸風(fēng)力機(jī)常見的結(jié)構(gòu)有S型風(fēng)輪、達(dá)里厄式風(fēng)輪和旋翼式風(fēng)輪三種，如圖2-2所示。S型風(fēng)輪由兩個(gè)軸線錯開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點(diǎn)是啟動轉(zhuǎn)矩較大，缺點(diǎn)是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對稱氣流，從而對它產(chǎn)生側(cè)向推力。對于較大型的風(fēng)力機(jī)，因?yàn)槭芷D(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制，采用這種結(jié)構(gòu)形式是比較困難的。

達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)，足利用翼型的升力作功，是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競爭者。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)有多種形式，基本上是直葉片和彎葉片兩種。

垂直軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)向改變時(shí)，無需對風(fēng)向，在這一點(diǎn)上，相對于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一大優(yōu)點(diǎn)，這使得結(jié)構(gòu)簡化，同時(shí)也減少了風(fēng)輪對風(fēng)向時(shí)的陀螺力。

旋翼式風(fēng)力機(jī)從理論上講，它可以不像水平軸風(fēng)力機(jī)那樣要求迎風(fēng)裝置，但它同樣存在超過工作速度需要限速問題。為了限速，其機(jī)構(gòu)必然復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)簡單的*性就不復(fù)存在了。該風(fēng)力機(jī)由于一些技術(shù)難題仍未得到解決，因此目前還沒有進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。

的垂直軸風(fēng)力機(jī)是一種圓弧形雙葉片結(jié)構(gòu)（①型或稱為達(dá)里厄），由于其受風(fēng)面積小，相應(yīng)的啟動風(fēng)速較高，一直未得到大力發(fā)展，我國也在前幾年做了一些嘗試，但效果始終不理想。H型結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)與科技的發(fā)展特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，由于H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)需要非常大量的空氣洞力學(xué)計(jì)算以及數(shù)字模擬計(jì)算，采用人工的方法計(jì)算一次至少需要幾年的時(shí)間，而且不是一次計(jì)算就能得到正確的結(jié)果，所以在計(jì)算機(jī)還不是很發(fā)達(dá)的年代，人們根本無法完成這一設(shè)計(jì)構(gòu)思。

H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣洞力學(xué)原理，針對垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)洞模擬，葉片選用了飛機(jī)翼形形狀，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，它不會受到因變形而改變效率；它由垂直直線的4～5個(gè)葉片組成，葉片由4角形或5角形形狀的輪轂固定，由連接葉片的連桿組成風(fēng)輪。

根據(jù)H型風(fēng)力機(jī)的原理，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速上升速度提高較快（力矩上升速度快），它驅(qū)動發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率上升速度也相應(yīng)變快，發(fā)電曲線變得飽滿。在同樣功率下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定風(fēng)速較現(xiàn)有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)要小，并且它在低風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)電量也較大。

由于此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用了特殊空氣洞力學(xué)原理、三角形向量法的連接方式以及直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，使得風(fēng)輪的受力主要集中于輪轂上，因此抗風(fēng)能力較強(qiáng)；此種設(shè)計(jì)的特性還體現(xiàn)在對周圍環(huán)境的影響上，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無噪聲以及電磁干擾小等特點(diǎn)，使得新型垂直軸風(fēng)力機(jī)*性非常明顯。

目前，生產(chǎn)該類型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品最多的是日本，目前英國、加拿大等國也在研制中，這些國家的大部分產(chǎn)品在風(fēng)輪設(shè)計(jì)當(dāng)中采用平行連接桿，這種方式對發(fā)電機(jī)輸出軸要求較高，并且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，現(xiàn)場安裝程序也偏多。另外，從力學(xué)方面分析，H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率越大、葉片越長、平行桿的中心點(diǎn)與發(fā)電杌軸的中心點(diǎn)距離越長，抗風(fēng)能力就越差，因此，采取三角形向量法的連接方式，可彌補(bǔ)了上述的一些缺點(diǎn)。

四、風(fēng)力機(jī)輸出特性具有固定槳距的水平軸風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩隨風(fēng)速和轉(zhuǎn)速變化，如果葉片的旋轉(zhuǎn)速度太低，葉片將失速，風(fēng)輪輸出的扭矩下降，因此為了從氣流中取得功率輸出（當(dāng)氣流速度變化時(shí)）必須改變?nèi)~片的槳距角或葉片的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)在很多風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪都設(shè)計(jì)成變槳距葉片。

風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速若隨風(fēng)速改變，可從空氣中取得功率，但對于由風(fēng)輪驅(qū)動的發(fā)電機(jī)而言，這并不是的。優(yōu)化設(shè)計(jì)的解決的方法是準(zhǔn)許風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，同時(shí)使用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，以得到所需頻率的電能。風(fēng)力機(jī)輸出功率曲線如圖2-3所示，其中ve為啟動風(fēng)速，vR為額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出額定功率，Vp為截止風(fēng)速。

當(dāng)風(fēng)速小于啟動風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)不能轉(zhuǎn)動。風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速后，風(fēng)力機(jī)開始轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。輸出電能供給負(fù)載以及給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池組端電壓達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，由電壓檢測得到信號電壓通過控制電路進(jìn)行開關(guān)切換，使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)壓閉環(huán)控制，既保持對蓄電池充電，又不致使蓄電池過充。在風(fēng)速超過截止風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)通過機(jī)械限速機(jī)構(gòu)使風(fēng)力機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下限速運(yùn)行或停止遠(yuǎn)行，以保證風(fēng)力機(jī)不致?lián)p壞。

普通風(fēng)力發(fā)電機(jī)至少需要3mls的風(fēng)速才能啟動，3.5m/s的風(fēng)速才能發(fā)電，一定程度上限制了小型風(fēng)力發(fā)電在我國很多地區(qū)的運(yùn)用。而采用全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于使用微摩擦、啟動力矩小的磁懸浮軸承，在1. 5m／s的微弱風(fēng)速下就能啟動，2.5mls的風(fēng)速就能發(fā)電，能效提高約20%，能廣泛應(yīng)用于全國80%的地區(qū)。經(jīng)中國機(jī)械工業(yè)風(fēng)力機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢測，全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動力矩降至國家標(biāo)準(zhǔn)的1／12左右，啟動風(fēng)速降低了57.14%，切人風(fēng)速降低23. 81%，額定功率提高20. 57%。

五、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率是配合特定的額定風(fēng)速設(shè)計(jì)而定的，由于能量與風(fēng)速的立方成正比，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率會隨風(fēng)速變化會很大。同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)力機(jī)可以配以不同大小的發(fā)電機(jī)。因此兩臺同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑的風(fēng)力機(jī)有不同的額定輸出功率值，這取決于它的設(shè)計(jì)是配合強(qiáng)風(fēng)地帶（配較大型發(fā)電機(jī)）或弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機(jī)）。

發(fā)電機(jī)的額定功率是指發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下輸出的功率。由于風(fēng)速不是一個(gè)穩(wěn)定值，因而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會隨風(fēng)速而變化，因此輸出功率也會隨風(fēng)速變化。當(dāng)風(fēng)速低于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率將達(dá)不到額定值；當(dāng)風(fēng)速高于設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，實(shí)際輸出功率將高于額定值。當(dāng)然，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的限速和調(diào)速裝置及發(fā)電機(jī)本身設(shè)計(jì)參數(shù)的限制，發(fā)電機(jī)的輸出功率不會無限增大，只能在某一范圍內(nèi)變動。

在風(fēng)速很低的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪會保持不動。當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機(jī)開始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來越強(qiáng)，輸出功率會增加。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)會輸出其額定功率。之后輸出功率會保留大致不變。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加，達(dá)到切出風(fēng)速的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)會剎車，不再輸出功率，以免損壞風(fēng)力機(jī)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能可以用功率曲線來表達(dá)，如圖2-4所示。功率曲線顯示了風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下（切人風(fēng)速到切- 出風(fēng)速）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，為特定地點(diǎn)選取合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般方法是采用風(fēng)力機(jī)的功率曲線和該地點(diǎn)的風(fēng)力資料以進(jìn)行發(fā)電量估算。