1、新能源 風能技術(shù)及應用主講：張禮達主講：張禮達 教授教授助教：張慧珍助教：張慧珍時間：時間：20212021年年9 9月月1111月月EmailEmail：第三講第三講 風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及組成風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及組成3.1 3.1 風力發(fā)電機組概述風力發(fā)電機組概述小型及大型風力發(fā)電機組小型及大型風力發(fā)電機組水平軸及垂直軸風力發(fā)電機組水平軸及垂直軸風力發(fā)電機組 水平軸風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)水平軸風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)大型風電機組根本結(jié)構(gòu)大型風電機組根本結(jié)構(gòu) 1 1葉片；葉片；2 2輪轂；輪轂；3 3機艙；機艙；4 4葉輪軸與主軸連接；葉輪軸與主軸連接；5 5主軸；主軸；6 6齒齒輪箱；輪箱；7 7剎車

2、機構(gòu)；剎車機構(gòu)；8 8聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；9 9發(fā)電機；發(fā)電機；1010散熱器；散熱器；1111冷卻風扇冷卻風扇；1212風速儀和風向標；風速儀和風向標；1313控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；1414液壓系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；1515偏航驅(qū)動；偏航驅(qū)動；1616偏航軸承；偏航軸承；1717機艙蓋；機艙蓋；1818塔架；塔架；1919、變槳距局部、變槳距局部風輪的組成圖風輪的組成圖風輪風輪3.2.1 3.2.1 風輪及其組成風輪及其組成 風輪是風力機最重要的部件，它是風力機區(qū)別于其它動力機的主要標志。風輪的作用是捕捉和吸收風能。并將風能轉(zhuǎn)變成機械能。再由風輪軸將能量送給傳動裝置以水平軸升力型風力機的風輪為例(以下圖

3、)來說明風輪功率的計算。 風以速度V吹向風輪時，風輪轉(zhuǎn)動。設(shè)旋轉(zhuǎn)著的風輪其掃掠面積為A，空氣密度為 ，在1 s中內(nèi)流向風輪的空氣所具有的動能為 1假設(shè)風輪的直徑為D ，那么 2這些風能不可能全部被風輪捕獲。231122VNmVAV23323112248VDNAVVD V 風輪捕獲風能并將之轉(zhuǎn)換成機械能再由風輪軸輸出的功率為N稱之為風輪功率)。它與 之比，稱為風輪功率系數(shù)(或風能利用系數(shù))，用 表示，即 3 4 式中 的值為。 238PVNNCND VPCVDN328PCVNPC由式3得知：因此，當風輪大小、工作風速一定時，應盡可能提高 值，以增大風輪功率。這是從事風能開發(fā)利用的科技人員追求的主

4、要目標之一。PC 葉片及葉片材料葉片及葉片材料3.2.1.1 3.2.1.1 葉片開展趨勢葉片開展趨勢 葉片是風力機捕捉風能的最重要部件。風能利用效率取葉片是風力機捕捉風能的最重要部件。風能利用效率取決于良好的葉片的空氣動力外型，以及具有高強度、高硬度、決于良好的葉片的空氣動力外型，以及具有高強度、高硬度、低密度以及較長使用壽命等優(yōu)良特點的制造材料。低密度以及較長使用壽命等優(yōu)良特點的制造材料。風力提水機的葉片風力發(fā)電機組的葉片常見的風力機葉片的橫截面結(jié)構(gòu)圖常見的風力機葉片的橫截面結(jié)構(gòu)圖 葉片材料選擇的要求及選擇規(guī)那么葉片材料選擇的要求及選擇規(guī)那么葉片材料選擇規(guī)那么葉片材料選擇規(guī)那么2纖維增強復

5、合材料纖維增強復合材料玻璃纖維復合材料玻璃纖維復合材料碳纖維復合材料碳纖維復合材料玻璃鋼復合材料玻璃鋼復合材料葉片的主要材料特性 玻璃鋼葉片玻璃鋼葉片 用于葉片制造的材料一般有木材、金屬，如用于葉片制造的材料一般有木材、金屬，如鋼和鋁，以及玻璃鋼。由于葉片的木材一般要選鋼和鋁，以及玻璃鋼。由于葉片的木材一般要選用優(yōu)質(zhì)木材，如樺木、核桃木等，材料來源困難、用優(yōu)質(zhì)木材，如樺木、核桃木等，材料來源困難、取材率低、造價高、維修不便。取材率低、造價高、維修不便。鋼鋼金屬材料制造，金屬材料制造，又存在加工復雜、工藝裝備多、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)又存在加工復雜、工藝裝備多、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品不耐腐蝕等一系列問題。因此

6、，目前在國內(nèi)已品不耐腐蝕等一系列問題。因此，目前在國內(nèi)已很少選用木材或金屬制造葉片，大多數(shù)采用玻璃很少選用木材或金屬制造葉片，大多數(shù)采用玻璃鋼鋼。3 玻璃鋼葉片的優(yōu)點玻璃鋼葉片的優(yōu)點4213.2.2 3.2.2 輪轂輪轂輪轂有固定式和鉸鏈式兩種輪轂有固定式和鉸鏈式兩種 主軸也稱為低速軸，安裝在風輪和齒輪箱之間。主軸也稱為低速軸，安裝在風輪和齒輪箱之間。前端通過螺栓與輪轂剛性連接，后端與齒輪箱低速連前端通過螺栓與輪轂剛性連接，后端與齒輪箱低速連接，承力大而且復雜。接，承力大而且復雜。3.2.3 3.2.3 主軸主軸風機每經(jīng)歷一次起動和停機，主軸所受的各種風機每經(jīng)歷一次起動和停機，主軸所受的各種力

7、，都將經(jīng)歷一次循環(huán)力，都將經(jīng)歷一次循環(huán)因此會產(chǎn)生循環(huán)疲勞因此會產(chǎn)生循環(huán)疲勞主軸有較高的綜合機械性主軸有較高的綜合機械性 齒輪箱是風力發(fā)電機組關(guān)鍵零部件之一。由于齒輪箱是風力發(fā)電機組關(guān)鍵零部件之一。由于風力機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，風力機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為了實現(xiàn)風力機和發(fā)電機的匹配，采用增速齒輪箱。為了實現(xiàn)風力機和發(fā)電機的匹配，采用增速齒輪箱。3.3 3.3 齒輪箱齒輪箱 齒輪箱的分類齒輪箱的分類按照傳動的方式可以分為：展開式，分流式，同軸式以及混合式 自然界的風速經(jīng)常變化。風輪的轉(zhuǎn)速隨風速的增自然界的風速經(jīng)常變化。風輪的轉(zhuǎn)速隨風速的增大而變快，發(fā)電機的輸

8、出電壓、頻率、功率也增加；大而變快，發(fā)電機的輸出電壓、頻率、功率也增加；當風輪的轉(zhuǎn)速超過額定值時，有可能影響機組的使當風輪的轉(zhuǎn)速超過額定值時，有可能影響機組的使用壽命，甚至造成設(shè)備的毀壞。為使風輪能以一定用壽命，甚至造成設(shè)備的毀壞。為使風輪能以一定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地工作，風力發(fā)電機組上設(shè)有調(diào)速裝置。的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地工作，風力發(fā)電機組上設(shè)有調(diào)速裝置。 調(diào)速裝置是在風速大于設(shè)計額定風速時才起作用調(diào)速裝置是在風速大于設(shè)計額定風速時才起作用 因此，又被稱為限速裝置。當風速增至停機風速時，因此，又被稱為限速裝置。當風速增至停機風速時， 調(diào)速裝置能使風輪順槳調(diào)速裝置能使風輪順槳( (風向與風輪旋轉(zhuǎn)平面平行風向與風輪

9、旋轉(zhuǎn)平面平行) )停機。停機。3.4 3.4 調(diào)速裝置調(diào)速裝置 風力機調(diào)速裝置調(diào)速原理風力機調(diào)速裝置調(diào)速原理側(cè)翼及偏心裝置調(diào)速原理示意圖側(cè)翼及偏心裝置調(diào)速原理示意圖 縮小風輪圓形迎風面積縮小風輪圓形迎風面積原理圖原理圖 發(fā)電機是將由風輪軸傳來的機械能轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電機是將由風輪軸傳來的機械能轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備設(shè)備。3.5 3.5 發(fā)電機發(fā)電機 塔架的功能是支撐位于空中的風力發(fā)電系統(tǒng)，塔架的功能是支撐位于空中的風力發(fā)電系統(tǒng)，塔架與根底相連接，承受風力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的塔架與根底相連接，承受風力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的各種載荷，同時傳遞這些載荷到根底，使整個風力各種載荷，同時傳遞這些載荷到根底，使整個風力

10、發(fā)電機組能穩(wěn)定可靠地運行。發(fā)電機組能穩(wěn)定可靠地運行。3.6 3.6 塔架塔架微型風力機微型風力機小，中型風小，中型風力機力機中，大小型中，大小型風力機風力機大型風力機大型風力機 3.7.1 3.7.1 機艙機艙3.7 3.7 控制系統(tǒng)及附屬部件控制系統(tǒng)及附屬部件 3.7.2 3.7.2 機頭座機頭座 回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體( (轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤) )是塔架與機頭座的連接是塔架與機頭座的連接部件，通常由固定套、回轉(zhuǎn)圈以及位于部件，通常由固定套、回轉(zhuǎn)圈以及位于它們之間的軸承組成。固定套銷定在塔它們之間的軸承組成。固定套銷定在塔架上部，回轉(zhuǎn)圈與機頭座相連，通過它架上部，回轉(zhuǎn)圈與機頭座相連，通過它們之間的軸承和對風裝置

11、相連，們之間的軸承和對風裝置相連， 在風向在風向變化時，機頭便能水平地回轉(zhuǎn)，使風輪變化時，機頭便能水平地回轉(zhuǎn)，使風輪迎風工作。迎風工作。3.7.3 3.7.3 回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體 大、中型風力機的回轉(zhuǎn)體常借用塔式吊車上的回大、中型風力機的回轉(zhuǎn)體常借用塔式吊車上的回轉(zhuǎn)機構(gòu)。轉(zhuǎn)機構(gòu)。 小型風力機的回轉(zhuǎn)體通常是在上、下各設(shè)一組軸小型風力機的回轉(zhuǎn)體通常是在上、下各設(shè)一組軸承，可采用圓錐滾子軸承。也可以上面用向心球軸承，可采用圓錐滾子軸承。也可以上面用向心球軸承承受徑向載荷。下面用推力軸承來承受機頭的全承承受徑向載荷。下面用推力軸承來承受機頭的全部重量。部重量。 微型風力機的回轉(zhuǎn)體不宜采用滾動軸承，而采用微型

12、風力機的回轉(zhuǎn)體不宜采用滾動軸承，而采用青銅加工的滑動軸承。這是為了防止機頭對瞬時變青銅加工的滑動軸承。這是為了防止機頭對瞬時變化的風向過于敏感而導致風輪的頻繁回轉(zhuǎn)。化的風向過于敏感而導致風輪的頻繁回轉(zhuǎn)。 制動裝置是使風力發(fā)電機停止運轉(zhuǎn)的裝置(也稱剎車系統(tǒng))。對于微型和小型風力發(fā)電機，可采用如下圖的剎車機構(gòu)。 3.7.4 3.7.4 制動裝置制動裝置 在中型和大型風力發(fā)電機組中，有在中型和大型風力發(fā)電機組中，有采用葉尖氣動剎車和機械式剎車組成的采用葉尖氣動剎車和機械式剎車組成的制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)。 功率較大的風力發(fā)電機組，應用電功率較大的風力發(fā)電機組，應用電磁制動器和液壓制動器的，當采用電磁磁制

13、動器和液壓制動器的，當采用電磁制動器時，需要有外電源；當采用液壓制動器時，需要有外電源；當采用液壓制動器時，除了需要外電源，還需要油制動器時，除了需要外電源，還需要油泵，電磁閥，液壓油缸和管路等。泵，電磁閥，液壓油缸和管路等。 風力發(fā)電機組的傳動裝置包括增速器與聯(lián)軸器等。風力發(fā)電機組的傳動裝置包括增速器與聯(lián)軸器等。 通常，風輪的轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機轉(zhuǎn)子需要的轉(zhuǎn)速，通常，風輪的轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機轉(zhuǎn)子需要的轉(zhuǎn)速，所以要增速所以要增速( (有的微型風力發(fā)電機組不設(shè)增速器而直有的微型風力發(fā)電機組不設(shè)增速器而直接連接接連接) )。增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了。增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了少占用空間

14、，往往將聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起。少占用空間，往往將聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起。 風輪軸與增速器之間也有用聯(lián)軸器的，稱低速聯(lián)風輪軸與增速器之間也有用聯(lián)軸器的，稱低速聯(lián)軸器。軸器。3.7.5 3.7.5 傳動裝置傳動裝置 控制系統(tǒng)的功能控制系統(tǒng)的功能 控制系統(tǒng)利用控制系統(tǒng)利用DSPDSP微機處理機，在正常微機處理機，在正常運行狀態(tài)下，主要通過對運行過程模擬量和運行狀態(tài)下，主要通過對運行過程模擬量和開關(guān)量的采集、傳輸、分析，來控制風電機開關(guān)量的采集、傳輸、分析，來控制風電機組的轉(zhuǎn)速和功率；如發(fā)生故障或其他異常情組的轉(zhuǎn)速和功率；如發(fā)生故障或其他異常情況能自動地監(jiān)測并分析確定原因，自動調(diào)整況能自動地監(jiān)測并分析確定原因，自動調(diào)整排除故障或進入保護狀態(tài)。排除故障或進入保護狀態(tài)。3.7.6 3.7.6 控制系統(tǒng)控制系