风力发电机简述
日益加剧的世界能源危机和环境恶化问题，迫使人类在能源使用方式和能源使用类型选择上做出改变。节能减排、开源节流，发展低碳化经济等一系列体现环境友好的政策陆续出台。在世界范围内掀起了以保护环境，促进人类可持续发展为特征的新能源产业运动。其中，以风能为能源来源的风力发电产业在近期发展迅速，成为新能源产业里发展最具产业性、系统性、商业性的产业。本文将简要介绍风力发电机的发展历史和水平轴风力发电机原理与技术。
一、风力发电概念
1.1相关概念
风能是指：地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。简单地说，风能就是“风" 所蕴藏的能量。由定义可以知道它包含六层含义：第一，风能是太阳能的一种形式；第二风能是一种动能；第三风能的分布是全球性的；第四，风能是一种自然界本身自有的既存的能量形式；第五，是不排放污染物的清洁能源；第六，是可以再生的能源。对风能进行界定最重要的结论莫过于其是一种可利用的清洁的资源。亦即，风能是可以持续利用的与自然环境“友好”的自然资源。
风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中以风力发电为主要的利用方式。以风能作动力其实就是利用风的运动带动机械装置实现人类生产和生活目的。风力发电则是将风的动能转化成电能的形式。风力发电机也就是将风能转化成电能的装置。
1.2 风能利用的优势
风能利用具有巨大的优势，主要表现在以下几点：
（1）风力资源非常丰富；
（2）风力资源是清洁型，节约型能源；
（3）风能是一种便宜的能源；
（4）风能对土地的占用率极小；
（5）风能非常安全；
（6）内陆地区的风能利用能带来更好的经济效益；
（7）风能利用的巨大优势；
（8）风能技术有广泛的适用性；
（9）风能技术对于发展中国家来说是比较理想的；
（10）风能的利用是一种先进技术的利用；
（11）风能的发展增加就业机会；
（12）风力发电机有非常好的可靠性。
1.3 风能利用的局限
虽然风能是一种可以利用的自然界白生能源，但其自然属性不因人类的科技技术能力的提升的而有改变，人类对风能的利用只是在无限的了解其自然属性。因其自然属性之下生成的利用风能困难的表现：第一，时间与地点相异的条件下，太阳辐射强弱不一导致气压差大小的多变，因而使得风的流动快慢不一，表现在：风速不稳定，产生的能量大小不稳定，这种不稳定性是人力无法改变的。第二，太阳辐射的“全球性”反而成为了风能利用的极大限制因素。地球表面的地貌状况是千变万化的，太阳辐射产生的气流运动因地理状况而存在差异。适合人类生存的地理环境不一定会有丰富的风能，且一般情况下风能资源丰富的地区是不适合人类聚居的。故而风能全球性分布的价值性因风能自然属性与人类社会发展相冲突大
打折扣。相对于风能不稳定产生的不利益因素来说，风能蕴藏区的分布与人类社会发展的矛盾性在很大程度上是可以解决的。
除此之外，人类自身的智力局限性也影响到风能的利用。表现在：科技水平的发展还不足以完全驾驭风能，利用风能的设备还不足以将风能的不稳定性的难点克服，所以能源转换率低。风能利用的科技技术还不是相当的纯熟。
二、风力发电机发展历史
自十九世纪末至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。
1888年美国电力工业奠基人之一Charles F. Brush安装了被现代人认为是第一台自动运行且用于发电的风力机。
图2.1 Charles F. Brush和其开发的风力机
1890年丹麦的拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。世界上第一个风力发电期刊《Journal of Wind Electricity 》也是由PoullaCour创立的。
图2.2拉库尔（右）及其风机
1918年，丹麦约有120个地方公用事业拥有风力发电机，通常的单机容量是20-35kW，总装机约3MW。这些风电容量当时占丹麦电力消耗量的3%。丹麦对风力发电的兴趣在随后的若干年逐渐减退，直到二次世界大战期间出现供电危机为止。
在二次世界大战期间，丹麦工程公司F.L.Smidth（现在是水泥机械制造商）安装了一批两叶片和三叶片的风机。丹麦风机制造商已经生产出了两叶片的风机，尽管所谓的“丹麦概念”是三叶片的风机。所有这些风机（与它们的前辈一样）发的是直流电。这些三叶片F.L.Smidth风机于1942年安装在Bobo岛，它们看起来很象“丹麦”风机。这些风机是风-柴系统中的一部分，给小岛供电。1951年，这些直流发电机被35kW的交流异步发电机取代，如此一来，第二台生产交流电的风机问世了。
图2.3F.L.Smidth两叶片和三叶片风机
1957年200kW Gedser风力发电机安装在丹麦Gedser海岸，三叶片带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，是现代风力发电机的设计先驱。创新的200KW Gedser风力发电机在1956-57年由Johannes Juul为SEAS电力公司建成，风机安装在丹麦南部的Gedser海岸。三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。这台风力机是失速调节型风力机，Johannes Juul发明了紧急气动叶尖刹车，在风机过速时通过离心力的作用释放。基本上，现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。这台风力发电机，在随后的很多年中一直是世界上大的。它在无需维护的情况下，运行了 11年。风力机的机舱和叶轮现在在丹麦电力博物馆中展出。
图2.4Gedser 200kW风机发电机
在1973年第一次石油危机后，几个国家起对风能的兴趣重新点燃。在丹麦，电力公司立即把目标放在的制造大型风力发电机上，德国、瑞典、英国和美国也紧跟其后。1979年，他们安装了两台 630KW风力发电机，一台是桨矩控制的，另一台是失速控制的。
1973年的石油危机之后，风力发电发展的到一些国家政府大力支持，风力发电由小型逐渐向大中型发展。
80年代后，由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家。Tvind2MW，叶轮直径54米，同步发电机通过电力电子设备与电网相连。
90年代后开始进入现代风力发电技术，600kW-750kW风力发电机组以及兆瓦级风力发电机组。
三、风力发电机的分类
1.、按主轴与地面的关系分为水平轴风力发电机组合垂直轴风力发电机组。
2.、按功率调节方式可分为定桨距风力发电机、变桨距风力发电机和主动失速风力发电机。
定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。
变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在佳攻角状态，以获得大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。
主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。
3、按传动形式可分为高传动比齿轮箱型、直接驱动型和中传动比型。
高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。
直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声，故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。
中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。
4、按发电机驱动方式可分为固定转速的异步发电机组型、双馈异步发电机组型和永磁直驱同步发电机组型。
四、水平轴风力发电机的结构
水平轴风力发电机由叶轮，机舱和塔架等组成，具体结构如图4.1所示。
图4.1水平轴锋利发电机结构
图中，1－叶片；2－轮毂；3－机舱；4－叶轮轴与主轴连接；5－主轴；6－齿轮箱；7－刹车机构；8－联轴器；9－发电机；10－散热器；11－冷却风扇；12－风速仪和风向标；13－控制系统；14－液压系统；15－偏航驱动； 16－偏航轴承；17－机舱盖；18－塔架；19、变桨距部分。
4.2 风轮
4.2.1风轮的结构
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。风轮的作用是捕捉和吸收风能。并将风能转变成机械能。再由风轮轴将能量送给传动装置。风轮由叶片，轮毂和风轮轴组成，具体如图4.2.1。
图4.2.1风轮的组成图
4.2.2风轮捕获风能的功率
以水平轴升力型风力机的风轮为例(下图)来说明风轮功率的计算。
图
4.2.2
如图4.2.2，风以速度V吹向风轮时，风轮转动。设旋转着的风轮其扫掠面积为A，空气密度为，在1 s中内流向风轮的空气所具有的动能为
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风力发电机简述
日益加剧的世界能源危机和环境恶化问题，迫使人类在能源使用方式和能源使用类型选择上做出改变。节能减排、开源节流，发展低碳化经济等一系列体现环境友好的政策陆续出台。在世界范围内掀起了以保护环境，促进人类可持续发展为特征的新能源产业运动。其中，以风能为能源来源的风力发电产业在近期发展迅速，成为新能源产业里发展最具产业性、系统性、商业性的产业。本文将简要介绍风力发电机的发展历史和水平轴风力发电机原理与技术。
一、风力发电概念
1.1相关概念
风能是指：地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。简单地说，风能就是“风" 所蕴藏的能量。由定义可以知道它包含六层含义：第一，风能是太阳能的一种形式；第二风能是一种动能；第三风能的分布是全球性的；第四，风能是一种自然界本身自有的既存的能量形式；第五，是不排放污染物的清洁能源；第六，是可以再生的能源。对风能进行界定最重要的结论莫过于其是一种可利用的清洁的资源。亦即，风能是可以持续利用的与自然环境“友好”的自然资源。
风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中以风力发电为主要的利用方式。以风能作动力其实就是利用风的运动带动机械装置实现人类生产和生活目的。风力发电则是将风的动能转化成电能的形式。风力发电机也就是将风能转化成电能的装置。
1.2 风能利用的优势
风能利用具有巨大的优势，主要表现在以下几点：
（1）风力资源非常丰富；
（2）风力资源是清洁型，节约型能源；
（3）风能是一种便宜的能源；
（4）风能对土地的占用率极小；
（5）风能非常安全；
（6）内陆地区的风能利用能带来更好的经济效益；
（7）风能利用的巨大优势；
（8）风能技术有广泛的适用性；
（9）风能技术对于发展中国家来说是比较理想的；
（10）风能的利用是一种先进技术的利用；
（11）风能的发展增加就业机会；
（12）风力发电机有非常好的可靠性。
1.3 风能利用的局限
虽然风能是一种可以利用的自然界白生能源，但其自然属性不因人类的科技技术能力的提升的而有改变，人类对风能的利用只是在无限的了解其自然属性。因其自然属性之下生成的利用风能困难的表现：第一，时间与地点相异的条件下，太阳辐射强弱不一导致气压差大小的多变，因而使得风的流动快慢不一，表现在：风速不稳定，产生的能量大小不稳定，这种不稳定性是人力无法改变的。第二，太阳辐射的“全球性”反而成为了风能利用的极大限制因素。地球表面的地貌状况是千变万化的，太阳辐射产生的气流运动因地理状况而存在差异。适合人类生存的地理环境不一定会有丰富的风能，且一般情况下风能资源丰富的地区是不适合人类聚居的。故而风能全球性分布的价值性因风能自然属性与人类社会发展相冲突大
打折扣。相对于风能不稳定产生的不利益因素来说，风能蕴藏区的分布与人类社会发展的矛盾性在很大程度上是可以解决的。
除此之外，人类自身的智力局限性也影响到风能的利用。表现在：科技水平的发展还不足以完全驾驭风能，利用风能的设备还不足以将风能的不稳定性的难点克服，所以能源转换率低。风能利用的科技技术还不是相当的纯熟。
二、风力发电机发展历史
自十九世纪末至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。
1888年美国电力工业奠基人之一Charles F. Brush安装了被现代人认为是第一台自动运行且用于发电的风力机。
图2.1 Charles F. Brush和其开发的风力机
1890年丹麦的拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。世界上第一个风力发电期刊《Journal of Wind Electricity 》也是由PoullaCour创立的。
图2.2拉库尔（右）及其风机
1918年，丹麦约有120个地方公用事业拥有风力发电机，通常的单机容量是20-35kW，总装机约3MW。这些风电容量当时占丹麦电力消耗量的3%。丹麦对风力发电的兴趣在随后的若干年逐渐减退，直到二次世界大战期间出现供电危机为止。
在二次世界大战期间，丹麦工程公司F.L.Smidth（现在是水泥机械制造商）安装了一批两叶片和三叶片的风机。丹麦风机制造商已经生产出了两叶片的风机，尽管所谓的“丹麦概念”是三叶片的风机。所有这些风机（与它们的前辈一样）发的是直流电。这些三叶片F.L.Smidth风机于1942年安装在Bobo岛，它们看起来很象“丹麦”风机。这些风机是风-柴系统中的一部分，给小岛供电。1951年，这些直流发电机被35kW的交流异步发电机取代，如此一来，第二台生产交流电的风机问世了。
图2.3F.L.Smidth两叶片和三叶片风机
1957年200kW Gedser风力发电机安装在丹麦Gedser海岸，三叶片带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，是现代风力发电机的设计先驱。创新的200KW Gedser风力发电机在1956-57年由Johannes Juul为SEAS电力公司建成，风机安装在丹麦南部的Gedser海岸。三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。这台风力机是失速调节型风力机，Johannes Juul发明了紧急气动叶尖刹车，在风机过速时通过离心力的作用释放。基本上，现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。这台风力发电机，在随后的很多年中一直是世界上大的。它在无需维护的情况下，运行了 11年。风力机的机舱和叶轮现在在丹麦电力博物馆中展出。
图2.4Gedser 200kW风机发电机
在1973年第一次石油危机后，几个国家起对风能的兴趣重新点燃。在丹麦，电力公司立即把目标放在的制造大型风力发电机上，德国、瑞典、英国和美国也紧跟其后。1979年，他们安装了两台 630KW风力发电机，一台是桨矩控制的，另一台是失速控制的。
1973年的石油危机之后，风力发电发展的到一些国家政府大力支持，风力发电由小型逐渐向大中型发展。
80年代后，由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家。Tvind2MW，叶轮直径54米，同步发电机通过电力电子设备与电网相连。
90年代后开始进入现代风力发电技术，600kW-750kW风力发电机组以及兆瓦级风力发电机组。
三、风力发电机的分类
1.、按主轴与地面的关系分为水平轴风力发电机组合垂直轴风力发电机组。
2.、按功率调节方式可分为定桨距风力发电机、变桨距风力发电机和主动失速风力发电机。
定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。
变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在佳攻角状态，以获得大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。
主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。
3、按传动形式可分为高传动比齿轮箱型、直接驱动型和中传动比型。
高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。
直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声，故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。
中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。
4、按发电机驱动方式可分为固定转速的异步发电机组型、双馈异步发电机组型和永磁直驱同步发电机组型。
四、水平轴风力发电机的结构
水平轴风力发电机由叶轮，机舱和塔架等组成，具体结构如图4.1所示。
图4.1水平轴锋利发电机结构
图中，1－叶片；2－轮毂；3－机舱；4－叶轮轴与主轴连接；5－主轴；6－齿轮箱；7－刹车机构；8－联轴器；9－发电机；10－散热器；11－冷却风扇；12－风速仪和风向标；13－控制系统；14－液压系统；15－偏航驱动； 16－偏航轴承；17－机舱盖；18－塔架；19、变桨距部分。
4.2 风轮
4.2.1风轮的结构
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。风轮的作用是捕捉和吸收风能。并将风能转变成机械能。再由风轮轴将能量送给传动装置。风轮由叶片，轮毂和风轮轴组成，具体如图4.2.1。
图4.2.1风轮的组成图
4.2.2风轮捕获风能的功率
以水平轴升力型风力机的风轮为例(下图)来说明风轮功率的计算。
图
4.2.2
如图4.2.2，风以速度V吹向风轮时，风轮转动。设旋转着的风轮其扫掠面积为A，空气密度为，在1 s中内流向风轮的空气所具有的动能为
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