风力发电机组及工作原理

1.风力发电机组的结构及分类

（1）风力发电机组的分类

风力发电机组的分类一般有3种。按风轮轴的安装形式，分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组；按风力发电机的功率，分为微型（额定功率50～1000 W）、小型（额定功率1.0～10 k W）、中型（额定功率10～100 k W）和大型（额定功率大于100 k W）；按运行方式，分为独立运行和并网运行。

（2）风力发电机组的结构

在风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。

①独立运行的风力发电机组

水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮（包括尾舵）、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构如图4-15所示。

②并网运行的风力发电机组

并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如图4-16所示。

图4-16　水平轴并网运行的风力发电机组主要结构

③大型风力发电机组

并网运行的大型风力发电机组由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，结构如图4-17所示。

2.发电机

（1）同步发电机

同步发电机（图4-18）主要由定子和转子组成。定子由开槽的定子铁心和放置在定子铁心槽内按一定规律连接成的定子绕组（也称定子线圈）构成；转子上装有磁极（即转子铁心）和使磁极化的励磁绕组（也称转子绕组或转子线圈）。对于小型风力发电机组，常将同步发电机的转子改成永磁结构，不需要励磁装置。

（2）异步发电机

异步发电机主要是由定子和转子两大部分组成。异步发电机的定子与同步发电机的定子基本相同。它的转子分为绕线式和鼠笼式，绕线式异步电动机的转子绕组与定子绕组相同；鼠笼式异步电动机的转子是将金属（铜或铝）导条嵌在转子铁心里，两头用铜或铝端环将导条短接，像鼠笼一样，此种电机应用很广泛。

图4-17　大型风力发电机组的基本结构

图4-18　同步发电机的结构原理

3.蓄电池

风力发电机最基本的储能方法是使用蓄电池。

蓄电池的种类虽然较多，但在实际应用中主要有铅（酸性）蓄电池和镉镍（碱性）蓄电池，而在风力发电机组中使用最多的还是蓄电池，尽管它的储能效率较低，但是它的价格便宜。现以铅蓄电池为例说明蓄电池的工作原理。铅蓄电池的阳极用二氧化铅（Pb O2）板，阴极用铅（Pb）板，电解液用27%～37%的硫酸（H2SO4）水溶液。蓄电池内部的化学反应为

放电时，在阴极上发生的化学反应为

Pb＋H2SO4→PbSO4＋2H＋＋2e

阴极上的电子（e）通过蓄电池的外部通路向阳极流动，形成电流。放电时硫酸被消耗而生成水，即电解液浓度降低。而充电时，由外部（风力发电机）供给直流电，在阴极生成PbO2，在阳极生成Pb，电解液浓度升高，电能又以化学能的形式储存在蓄电池内。

任何蓄电池的使用过程都是充电和放电过程反复进行的，铅蓄电池使用寿命为2～6年。

4.逆变器

逆变器是一种将直流电变为交流电的装置，有的逆变器还兼有把交流电变为直流电的功能。逆变器有不同的类型，有一种逆变器是利用一个直流电动机驱动一个交流发电机，由于直流电动机以固定转速驱动发电机，所以发电机的频率不变。由于风力发电机受风速变化的影响，发电频率的控制难度大，若先将发出的交流电整流成直流电，再用这种逆变器转变成质量稳定的交流电，供给用电质量要求严格的用户，或将交流电送入电网，都是可以做到的。这种逆变器称为旋转逆变器。

用晶体管制成的逆变器称为静态逆变器，常用于小型风力发电机供电系统中，小型风力发电机组提供的直流电为12 V、24 V、32 V，而家用电器如电灯、收音机、电视（机）等，常用220 V交流电，用静态逆变器可以实现这种转换。

具有把交流电转换成直流电功能的逆变器，在风力发电机损坏、检修期间，可将蓄电池和逆变器送到有电网处进行充电、取回，再供给用户直流电。

大多数逆变器具有一定过冲击能力，如一个500 W的晶体管逆变器，在10～60 s内发出700 W的功率，这对家用电器设备的起动是有益的。