現代風機的結構與技術特點及分類和主要構成

　　 現代風機的結構與技術特點。
　　圖一所示的風力發電機發出的電時有時無，電壓和頻率不穩定，是沒有實際應用價值的。一陣狂風吹來，風輪越轉越快，系統就會被吹跨。為了解決這些問題，現代風機增加了齒輪箱、偏航系統、液壓系統、剎車系統和控制系統等，現代風機的示意如圖二、三、四所示。

（圖二）

（圖三）

（圖四）

    風力發電機組的分類和主要構成
    一）、風力發電機組的構成
    風力發電機組的主要組成部分：
    —葉輪：將風能轉變為機械能。
    —傳動系統：將葉輪的轉速提升到發電機的額定轉速
    —發電機：將葉輪獲得的機械能再轉變為電能。
    —偏航系統：使葉輪可靠地迎風轉動并解纜。
    —其它部件：如塔架、機艙等
    —控制系統：使風力機在各種自然條件與工況下正常運行的保障機制，包括調速、調向和安全控制。
    1、葉輪由葉片和輪轂組成，是機組中最重要的部件：決定其性能和成本，目前多數是上風式，三葉片；也有下風式，兩葉片。葉片與輪轂的連接有固定式（定槳距），及可動式（變槳距）。葉片多由復合材料（玻璃鋼）構成。
    2、傳動系統由風力發電機中的旋轉部件組成。主要包括低速軸，齒輪箱和高速軸，以及支撐軸承、聯軸器和機械剎車。齒輪箱有兩種：平行軸式和行星式。大型機組中多用行星式（具有重量和尺寸優勢）。有些機組無齒輪箱，即直驅式。傳動系的設計按傳統的機械工程方法，主要考慮特殊的受載荷情況。
    齒輪箱可以將很低的風輪轉速（17 - 48轉/分）變為很高的發電機轉速（通常為1500轉/分）。同時也使得發電機易于控制，實現穩定的頻率和電壓輸出。
    由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處，受無規律的變向變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊，常年經受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，齒輪箱安裝在塔頂的狹小空間內，一旦出現故障，修復非常困難，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械高得多的要求。例如對構件材料的要求，除了常規狀態下機械性能外，還應該具有低溫狀態下抗冷脆性等特性；應保證齒輪箱平穩工作，防止振動和沖擊；保證充分的潤滑條件。
    3、機艙與偏航機構
包括機艙蓋，底板和偏航系統。機艙蓋起防護作用，底板支撐著傳動系部件。偏航機構是驅動機艙在回轉軸承上相對塔架轉動的裝置，也稱為對風裝置，其作用是能夠快速平穩地對準風向，以便風輪獲得最大的風能，偏航系統的主要部件是一個連接底板和塔架的大齒輪。上風式機組采用主動偏航，由偏航電機或液壓馬達驅動，由偏航控制系統控制。偏航剎車用來固定機艙位置。
    4、控制系統是現代風力發電機的神經中樞。現代風機是無人值守的。以600千瓦風機為例，一般在4米/秒左右的風速自動啟動，在14米/秒左右發出額定功率。然后，隨著風速的增加，一直控制在額定功率附近發電，直到風速達到25米/秒時自動停機。現代風機的存活風速為60-70米/秒，也就是說在這么大的風速下風機也不會被吹壞。通常所說的12級颶風，其風速范圍也僅為32.7-36.9米/秒。風機的控制系統，要在這樣惡劣的條件下，根據風速、風向對系統加以控制，在穩定的電壓和頻率下運行，自動地并網和脫網。并監視齒輪箱、發電機的運行溫度，液壓系統的油壓，對出現的任何異常進行報警，必要時自動停機。
    二）、風力發電機組的分類及特征

    1、 風力發電機組 —— 定槳距失速調節型
    定獎距是指槳葉與輪載的連接是固定的，槳距角固定不變，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當風速高于額定風速，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產生渦流，效率降低，來限制發電機的功率輸出。為了提高風電機組在低風速時的效率，通常采用雙速發電機（即大/小發電機）。在低風速段運行的，采用小電機使槳葉縣有較高的氣動效率，提高發電機的運行效率。
    失速調節型的優點是失速調節簡單可靠，當風速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動失速調節而控制系統不作任何控制，使控制系統大為減化。其缺點是葉片重晏大（與變槳距風機葉片比較），槳葉、輪載、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。
    2、 風力發電機組 ——變槳距調節型
    變槳距是指安裝在輪載上的葉片通過控制改變其槳距角的大小。其調節方法為：當風電機組達到運行條件時，控制系統命令調節槳距角調到45°，當轉速達到一定時，再調節到0°，直到風力機達到額定轉速并網發電；在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在0°位置不變，不作任何調節；當發電機輸出功率達到額定功率以后，調節系統根據輸出功率的變化調整槳距角的大小，使發電機的輸出功率保持在額定功率。
    隨著風電控制技術的發展，當輸出功率小于額定功率狀態時，變槳距風力發電機組采用OptitiP技術，即根據風速的大小，調整發電機轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比，優化輸出功率。

    3、風力發電機組 —— 定速機型：
    —— 發電方式簡單，造價低；
    —— 對電網依賴程度高。

    4、風力發電機組 —— 變速機型：
    —— 電氣設備價高；
    —— 電能品質好。