黑龙江农业经济职业学院 毕业论文
风力发电原理及前景概述
姓 名： 指导教师： 专 业： 班 级：
2010年 6月20日
目录
摘要
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前言
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1 国内外风电发展历史、现状
3
2 风力发电机组的构成及分类
2.1风力发电机组的构成
2.2风力发电机类型
4
3 风力机的气动特性及构成
3.1气动特性
4
3.2气动机的构成
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结构， 其中心预置与塔架连接的基础部件，基础周围还设置了防雷击 的接地装置。水平轴风力发电机组机舱构成示意图见图1。
图1风力发电机组机舱构成
2.2 分类
风力发电机组类型主要按容量和结构即（机型）划分。 2.2.1按容量分
容量在0.1~1kW为小型机组,1~100kW为中型机组,100~1000kW 为大 型机组 ,大于10000kW 为特大型机组。 2.2.2按风轮轴方向分
高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、 齿轮 副的增速来满足发电机转速的要求。 齿轮箱的主要功能是增速和动力 传递。
直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系 统中常见的齿轮箱， 风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。
中传动比齿轮箱（“半直驱”）型机组：采用一级行星齿轮副，其 增速比约为高传动比齿轮副的 1/10，因而减少了多极同步风力发电机的 极数和体积。 2.2.5按转速变化分
从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的 进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机 组的开发与研制方面。
2. 风力发电机组的构成及分类
2.1 构成
风力发电机组由风轮、机舱、塔架和基础构成。风轮是风力机的核 心部件。机舱由底盘、整流罩和机舱罩组成，底盘上安装机组发电系 统、变桨距系统及偏航系统等主要部件。 机舱罩后上方装有风速和风 向传感器，舱壁上有隔音及通风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机 舱达到所需高度，其上布置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制电 缆及通信电缆， 塔架上还装有供操作人员上下机舱的扶梯或电梯。基础采用钢筋混凝土
关键词：风力发电，不可再生能源，发电机，，枫叶叶片，结构设 计。
前言
本次论文的出发点是考虑到世界资源已经到了极度匮乏的地步，无 论是人们为了一己私欲。还是正常开采，按现在的科学技术，地球可供 开发资源已经不足50年，虽然水能风力领域都有了一定的成就，但是对 风能的利用还是进展不大，所以就成了落在我们当代大学生的身上的重 任。
在叶尖速比为 λm 时最大。 因此，在一定的风速下调节风力机转速， 使 其运行在最佳叶尖速比 λm 条件下，即可捕获最大风能。
图 2 一种典型的 Cp 与 λ 的关系曲线 Cp与 α 的典型关系如图 3 所示。 可以看出，随着 α 由零逐渐增大 到接近 αcr，Cp 由某一数值开始逐渐增大，基本呈线性变化。 当 α=αcr 时，Cp 达到最大值 Cpmax； 当 α＞αcr 时，Cp 随 α 的增加而明显下 降，这一现象称为失速。失速发生时，风力机的输出功率显著减小，噪 声常常会突然增加，并引起风力机振动和运行不稳定等。
交流永磁同步发电机运行时，全部功率经 AC-DC-AC 变换，故与双 馈异步发电机相比，其变流器容量要大得多。 但全容量的变流器更容 易维持低电压运行，满足电网对风电并网日益严格的要求。在大功率变 流装置技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下， 大型风电机组 越来越多地采用永磁同步发电机。
5、 风力发电技术发展动向
水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。风轮在塔架前面迎风的称 为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。上风向风力机 需利用调向装置来保持风轮迎风。
垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的 风，故无需对风。垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用 翼型的升力作功两个主要类别。 2.2.3按功率调节方式分
4 典型风力发电机的结构特点
异步风力发电机
6
双反馈异步风力发电机
直驱式交流永磁同步发电机
5 风力发电发展动向
7
结论
8
参考文献
9
致谢
பைடு நூலகம்
10
3 3 4
6 6
7
风力发电机组结构
摘 要： 基于现今全世界的风力发电利用率比较低，这对于我们 当代大学生既是机遇也是挑战，对于现如今世界资源匮乏，不可再生能 源的一步步减少，如果能研究风力发电技术提升到一定的高度达到普 及，不但是对于国家、乃至整个世界都是不可磨灭的贡献
定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变， 风力机的 功率调节完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。
变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼 型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。
主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加 攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。 2.2.4按传动形式分
目前，水平轴风力机叶片一般为 2 片或 3 片。两叶片风轮的制造成本 较低， 但叶片几何形状及风轮旋转速度相同时， 两叶片风轮对应最大 风能利用系数的转速比较高、 由脉动载荷引起的风轮轴向力变化也较 大。三叶片风轮由于外形整体对称，旋转速度较低、噪声相对较小，更 易于为大众接受，故目前三 叶片风轮居多。
风力机将风能转换为机械能的效率用风能利用系数 Cp 表示，Cp 是 叶尖速比 λ 和桨距角 β （或攻角α）的函数。 叶尖速比 λ 是叶片的叶尖 圆周速度与风速之比， 桨距角 β 是叶片剖面的翼弦线与风轮旋转面间
的夹角， 而攻角 α 是叶片剖面的翼弦线与合成气流方向间的夹角。 Cp与 λ 的典型关系如图 2 所示。 可以看出，风能利用系数 Cp 只有
3.2.2轮毂 轮毂用于将叶片固定到转轴上， 并将风轮的力和力矩传递到主传
动机构，同时控制叶片桨距角（使叶片作俯仰转动）。 轮毂有固定式 和铰链式两种。
固定式轮毂为铸造或焊接结构件， 铸造采用铸钢或球墨铸铁材 料。目前，三叶片风轮普遍采用这种刚性轮毂。
铰链式轮毂常用于单叶片和两叶片风轮， 又分为叶片之间相对固 定和各叶片自由两种类型。 前者两叶片之间固定连接，轴向相对位置 不变；后者每个叶 片互不依赖，在外力作用下，叶片可单独作调整运动。
5.1单机容量增大。目前世界上最大风电机组的单机容量达到了 6 MW， 叶轮直径 127 m，8～l0 MW的风电机组也已在设计开发中。 由 于风电机组设备的大型化尚未出现技术限制，其单机容量将继续增大。
5.2传动系统设计不断创新。 从中长期看，直驱式和半直驱式传动系 统在特大型风力机中所占比例将日趋提高。 传动系统采用集成化设计 和紧凑型结构是未来特大型风力机的发展趋势。
图 4 双馈异步发电机变速恒频风力发电系统原理图
4.3 直驱式交流永磁同步发电机
交流永磁同步发电机的定子结构与一般同步发电机相同，转子采用 永磁结构，无励磁绕组及滑环碳刷。发电机轴直接连到风力机轴上，转 子的转速随风速变化。 由于发电机为直接驱动结构， 省去了齿轮箱， 系统运行噪声低、可靠性高。
直接耦合的永磁发电机转速很低， 发电机极数多、体积大、制造成 本高。 为克服这一弊端而开发的半直驱型机组， 采用一级行星齿轮增 速器集成多极中速发电机，风轮与发电机单元直接相连，其增速比约为 高传动比齿轮副的 1/10，发电机极数较直驱型发电机少许多，体积也大 幅缩小，重量明显减轻。
铰链式轮毂具有活动部件， 相对于固定式轮毂来说，制造成本 高、可靠性较低、维护费用高，但其所承受的力和力矩较小。
4. 典型风力发电机的结构特点
4.1 异步风力发电机
一般采用笼型异步发电机， 其定子由铁芯和定子绕组构成，转子为 笼型结构，转子铁芯由硅钢片叠成。 其转子无需外加励磁，没有集电 环和电刷，结构 简单、运行可靠、价格便宜且并网容易。 由于是定速恒频机组，转速 基本不变，风力发电机组运行在最佳Cp 下的概率较小，因而其发电能 力比后述的两种机 型低。 该类型机组运行时， 从电力系统吸收无功功率，为满足电网对 风电场功率因数的要求，多在机端并联补偿电容器。
5.3叶片技术不断改进。 对于 2 MW 以下风力机， 通常采用增加塔筒 高度和叶片长度来提高发电量，但对于更大容量的风电机组，这两项措 施可能会大幅增加运输和吊装的难度及成本。为此，开发高效叶片越来 越受到重视。 另外，特大型风力机叶片长，运输困难，分段式叶片是 个很好的解决方案，而解决两段叶片接合处的刚性断裂问题则成为技术 关键。
由于风速随气候环境变化， 驱动发电机的风力机不可能常运行在额 定风速下， 为充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广 泛应用双速异步发电机。其极对数可改变，运行方式有高转速大容量和 低转速小容量两种。
4.2双馈异步风力发电机
双馈异步风力发电机也称作变速恒频发电系统（如图 4），其风力机 可变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风力机的风能利 用系数 Cp 得 到优化,获得高的利用率，并实现发电机较平滑的电功率输出。
定速机组： 转速恒定不变，不随风速变化。 多态定速机组： 包含两台不同转速和容量的发电机，可根据风速的 变化，选投其中一台运行。 变速机组： 发电机转速随风速变化。
3、 风力机的气动特性及结构
3.1 气动特性
风轮叶片是风力机最重要的部件之一， 其平面和剖面几何形状与 风力机空气动力特性密切相关。风轮叶片在空气动力作用下主要产生两 种力：升力推动风力机旋转进行有效工作， 阻力形成对风轮叶片的正 面压力。
风力发电的两个主要趋势是清晰可见的：一，能源多元化，包括可 再生能源，如：太阳能和风力发电；二，尽量减少主要能源 — 煤对环 境的破坏。随着国际原油价格节节攀升，寻求替代能源的步伐也在不断 加快。风力发电的前程似锦
1、国内外风电发展历史、现状
人类对于风能的开发利用也很早就开始了。但是，近代火力、水力发 电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展，使风力发电机的发展 缓慢下来。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够 的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期有过一个兴旺时期，吉 林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风 车，但是没有做好巩固和发展成果的工作。七十年代后，随着国民经济 的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技 意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙 江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的 小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民 住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在 我国得到了相应的发展。目前微型（<1KW）、小型（1-10 KW）风力 发电机的技术日渐成熟， 已经达到商品化程度。同时大型风力发电机 组（600 KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大 型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量达到了近25MW。从 统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展， 与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开 发与研制方面。