风能发电小型风能发电及其发电机
1 风能利用概述
风是地球表面上的大气受到太阳辐射而引起的部份空气的流动，因而风能也是太阳能的一种表现形式。地球近地层每年风能总量约为1.3×1015W，可以利用的风能量至少为1012W，约十倍于地球上可以利用的水力能源总量。我国的年风能总储量估计为 1.6×1012W。如果世界风能的1/100用于发电，则可达世界总发电量的(8～9)%，而实际上由于风力的随机性和风速变化多端，它的利用效率较低，在风能的实际利
用上仍存在很多技术困难。
尽管如此，风能作为再生能源，取之不尽，用之不竭，不存在燃料运输，灰渣处理和环境污染问题。由于它是自然能源，在常规能源紧张和生态环境遭受污染的时代，它的价值正在被重新认识，一些经济发达国家在70年代后期先后制定了发展规划，并投入了相当数量的开发资
金。
我国风能的利用，已有2000多年的悠久历史，主要是用于风力提水和船舶上，但是发展很慢。50年代中期开始研制了小型现代风力提水机和发电装置。60年代，一些风力机开始投入小批量生产。70年代末，我国风能利用研究进入了一个新的发展阶段，主要是小型风力发电机和风力提水机。1982年5月我国正式成
立了全国性的风能专业委员会。1985年我国成立了“全国风力机械标准化技术委员会”，该委员会制订了一系列有关风力发电机和风力提水机的相关标准。这样，“六五”、“七五”、“八五”期间在风能的利用、开发、风力发电方面有了很大的发展。90年代，我国从小型风力发电机组(国际规定10kW以下)的广泛应用走向大型风力发电机组的开发、引进、创新之路。目前我国小型风力发电机组的研究、制造已积累了相当丰富的经验，技术上已日趋成熟，形成了我国的系列型谱，并有部份出口。大型风力发电机组已建立了十几座大型风力田(如新疆达板、内蒙、山东荣城、广东汕头南澳、福建平潭等)。近年来，在国家计委主持下开展了大型风力机“先锋”工程，小型风力机“光明”工程，这将有力推动我国风力发电事业的进一步发
展。
2 风能发电原理
2.1 风能发电原理
风能发电的原理是利用风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网
上，向电网馈电；小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)，其简要的系统图如图1。
图1 风力发电机系统方框图
2.2 风能密度
不考虑风力机械的利用系数，单位面积获得的风功率称为风能密
度，并以此表征某地风能潜力的大小
W=0.5ρv3 (W/m2) (1)
推动风力机械运转的风能功率是
P1=0.5ρv3F (W) (2)
式中：ρ—空气质量密度(kg/m3);
v—风速(m/s);
F—风力机械叶轮扫掠的面积(m2)
由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械
能，因而风轮的实际功率应为
P=0.5ρv3FCP (W) (3)
式中：CP—风能利用系数，即风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠
面积F全部风的动能比值。
以水平轴风力机械为例，理论上最大风能利用系数为0.593左右，但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到
0.4就相当高了。
风能密度有直接计算和概率计算两种方法。近年来各国的风能计算中，大多采用概率计算中的韦泊尔(Weibull)分布来拟合风速频率分布
方法计算风能密度。
2.3 有效风速和有效风能密度
风力机械要根据当地的风况确定一个风速来设计的，该风速称为“设计风速”或“额定风速”，它与“额定功
率”相对应。由于风的随机性的不稳定，风力机械不可能始终在额定风速下运行。因此风力机械就有一个工作风速范围，即从切入风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。依此计算的风能密度称为有效风能密度。
根据国标GB8974-88风力机名词术语的定义：
起动风速风力机风轮由静止开始转动并能连续运转的最小风速;
切入风速风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速;
切出风速由于调节器的作用使风力机对额定负载停止功率输出的风
速;
工作风速风力机对额定负载有功率输出的风速范围，一般为3～
20m/s。
从定义上可以看出，低于起动风速，风力机不能运行，而高于切出风速，风力机如继续在高风速下运行，将会严重损坏风力机，甚至造成人身事故，这尤其要引起人们的重视。
风能发电原理 3 我国的风能资源
由于我国地形复杂，风的地区性差异很大，有必要将我国的风能资源的大体分布列出，以便于人们了解哪些地区有开发利用风能的潜力。 一般风能资源的潜力和特征用有效风能密度和可利用年积累小时数两个指标表示，根据有关气象资料，我国可利用风能地区有三个，即风能丰富区、较丰富区、可利用区，列表如下：
我国风能资源分布情况表
地区 数值 指标 风能密度W/m2 全年累积小时数
风速3～20m/s
(约3～8级风) 风速6～20m/s
(约4～8级风) 风速8～20m/s
(约5～8级风)
风能丰富区即东南沿海、山东、辽东半岛沿海和岛屿；内蒙、甘肃
北部 >200 >5000 >2200 >1000
风能较丰富地区即沿海岸由风能丰富地区向内陆延展20～50km地带，三北地区，青藏高原中部和北部地区 >150 ≈5000 ≈1500 ≈800 风能可利用区即两广沿海，福建海岸由风能丰富地区向内陆延展50～100km地带，大、小兴安岭，三北中部，黄河、长江中下游及川西、云南部分地区 50～150 2000～4000 500～1500
4 风力发电机组的结构形式
风力机有垂直轴式和水平轴式两种，分别介绍如下：
4.1 垂直轴风力机
风轮轴线的安装位置与水平面垂直的风力机称垂直轴风力机。常见的结构有“ S”型风轮、戴瑞斯( Darrieus)式风轮和旋翼式风轮三种，如图2所示。戴瑞斯式风力发电机组，国内曾有人研制并安装运行，但运行时间不长就损坏了；旋翼式风力发电机组也有人研究并试运行过。从理论上讲，它可以不象水平轴风力机那样要求迎风装置，但它同样存在超过工作速度需要限速的问题。为了限速，其机构必然复杂，
其结构简单的优越性就不复存在了。该风力机由于一些技术难题仍未得到解决，因此目前还没有进入实
际应用阶段。
图2 垂直轴风力机
4.2 水平轴风力机
风轮轴线的安装位置与水平面夹角不大于15度的风力机称水平轴风力机。其风轮有双叶片式；三叶片式和多叶片式。按其迎风的方式又分为迎风式(上风式)和顺风式(下风式)。如图3所示。
图3 水平轴风力机
这种风力机国内有比较成熟的技术，就其发电机的研究和生产而言其水平可以与其它国家比较。例如南京航空航天大学与该校江苏南航技术开发公司研制生产的FDS型风机，具有国际水平。
风力发电机组主要由风轮、传动与变速机构、发电机、塔架、迎风
及限速机构组成。
(1)风轮
风轮是风力机的主体，受风的作用风轮旋转，将风能转化为机械能。它包括桨毂和叶片。桨毂的作用是将叶片和变速机构(或发电机)连
接起来，叶片作用是接受风能。
(2)发电机
发电机是将旋转风轮的机械能转化为电能。
大型风力发电机大多为异步电机。
小型风力发电机主要是低速永磁发电机，这主要是因为小型风力发电机的风轮直接耦合在发电机轴上，省去了升速机构，这就要求发电机只有几百转/分，所以采用低速发电机。
(3)塔架、迎风机构和限速机构
大型风力发电机以前主要用三角钢制成塔架，现在则采用了大小头圆筒(象拉杆天线)，每节之间用法兰盘连接，这样运输时上节放在下节里，非常方便。钢管成架后，计算机、电缆、设备全部放在钢管内，又
非常实用。
小型风力发电机就用几节相同的圆钢管以法兰盘连接起来，它可根据地形及风况决定使用几节，然后用四根钢索固定在地面上。
大型风力发电机组迎风及限速机构全部采用了传感器及计算机结合的自动调节系统，按设定的技术参数自动发电，并网、限速和调节。 小型风力发电机的迎风机构主要靠风尾，只要风尾设计得合理，其对风性能完全可以满足技术要求。小型风机的限速方法比较多，主要是偏转机构，仰头机构，离心机构等。目前使用较多的主要是偏转机构，在风速超过工作风速时，由于侧偏的作用，风轮受力超过额定要求，会自动偏离，使之不正常迎风。如图4b所示。南京航空航天大学研制了自动变桨距的风力发电机组，
在风速超过工作风速范围时，它会自动改变叶片的迎风面，以减小风力机叶片的受风面，不致使之速度上升，而风速回复到工作风速范围时它会自动恢复正常状态。该型风机曾在海岛及热带风暴多发地区运行，经受了热带强风的考验。如图4a所示。
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