风力发电讲座

第一讲风力机的类型与结构
从能量转换的角度看, 风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机, 它的功能是将风能转换为机械能;其二是发电机,它的功能是将机械能转换为电能。本讲首先介绍风力机的类型和结构。
1 风力机的类型

风力机的种类和式样很多, 难以一一尽述。但由于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮,因此,风力机依风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类: 一类为水平轴风力机,一类为垂直轴风力机。
111 水平轴风力机

向装置来保持风轮迎风。而下风向风力机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风力机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应, 使性能有所降低。
112 垂直轴风力机垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转, 如图
122 所示。其主要优点是可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时,无需对风。由于不需要调向装置,使它们的结构设计简化。垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上, 这对于一个往往需要在一片呼啸的大风中为一台离地面几十米高的水平轴风力机进行维修服务的人员来说, 无疑是一个值得高度评价的特点。
垂直轴风力机可分为两个主要类别, 一类是利用空气动力的阻力作功,典型的结构是S 型风轮。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成, 其优点是起动转矩较大,缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流,从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机,因为受偏转与安全极限应力的限制, 采用这种结构形式是比较困难的。S 型风力机风能利用系数低于高速垂直轴或水平轴风力机,在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下提供的功率输出较低,因而用作发电缺乏竞争力。另一类是利用翼型的升力作功,最典型的是达里厄(Darrieus) 型风力机。它是法国人G1J 1M1Darrieus 于1925 年发明的, 1931 年取得专利权。当时这种风力机并没有受到注意,直到20 世纪70 年代石油危机后,才得到加拿大国家科学研究委员会(National Research Council) 和美国圣地亚(Sandia) 国家实验室的重视, 进行了大量的研究。现在是水平轴风力机的主要竞争者。达里厄风力机有多种形式, 如图123 所示的«型、H 型、Δ 型、Y 型和菱形等。基本上是直叶片和弯叶片两种, 以H 型风轮和«型风轮为典型。叶片具翼型剖面, 空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。H 型风轮结构简单, 但这种结构造成的离心力使叶片在其连结点处产生严重的弯曲应力。另外, 直叶片需要采用横杆或拉索支撑,这些支撑将产生气动阻力,降低效率。
«型风轮所采用的弯叶片只承受张力, 不承受离心力载荷, 从而使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力要强,所以对于相同的总强度,«型叶片比较轻, 且比直叶片可以以更高的速度运行。但«型叶片不便采用变浆距方法实现自起动和控制转速。另外,对于高度和直径相同的风
轮, «型转子比H 型转子的扫掠面积要小一些。