风机的工作原理

一、风机的工作原理

尽管风力发电的历史不长，但在不长的时间内，已有长足的进步。目前风力发电技术已趋于成熟，运行可靠性和发电成本接近常规火电。

风能够产生三种力以驱动发电机工作，分别为轴向力（即空气牵引力，气流接触到物体并在流动方向上产生的力）、径向力（即空气提升力，使物体具有移动的趋势的、垂直于气流方向的压力和剪切力的分量：狭长的叶片具有较大的提升力）和切向力·用于发电的主要是前两种力，水平轴风机使用轴向力，竖直轴风机使用径向力。

早期波斯或中国的垂直轴风轮利用的是空气牵引力，能量系数很低。现代风机主要利用空气提升力，其方向与风向垂直，主要装置为风翼或叶片。当气流经过风翼型叶片表面时就开始了风能向电能的转化过程。气体在叶片迎风面的流动速度远高于背风面，相应地，迎风面压力小于背风面，并由此产生提升力，导致转子围绕中心轴旋转，如图8-3所示。

根据旋转轴方向的不同，风机可分为水平轴和竖直轴两种，如图8-4和图8-5所示。

图8-3　风力发电机的空气动力学原理

竖直轴风机又称Darrieus（1920年代的法国工程师）风机，常使用轻微弯曲的对称风翼，其优点是使用时无需考虑风向，齿轮箱和发电设备可安放于地面；缺点是每次旋转会产生很高的扭矩波动，无自启动能力，并且风速大时调整转速的能力有限。竖直轴风机于1970年代开始商业化，一直持续到1980年代末发展已停滞。最大的竖直轴风机功率为4200kW，位于加拿大境内。

图8-4　水平轴风机结构

图8-5　竖直轴风机结构示意图

目前水平轴风机占统治地位。水平轴风机主要包括塔架及其顶部的吊舱，吊舱内装有发电机、齿轮箱和转子。不同型号的风机使用不同的技术调整吊舱方向，风速合适时使吊舱迎向风向；风速过大时偏离风向。对于小型风机，采用尾舵调整转子和吊舱方向；大型风机以风向标提供信号，使用电动装置调整吊舱和转于方向。

对于现代风机而言，转子叶片是最昂贵的零部件之一，而且叶片的强度是风力发电机组性能优劣的关键。目前的叶片所用材质已由木质、帆布等发展为复合材料（玻璃钢）、金属（铝合金等）。其中纤维增强的新型复合材料叶片不仅抗疲劳强度高、寿命较长，且具有防雷击破坏的能力（仅丹麦每年就有1%~ 2%的转子叶片被雷电击毁）。

通常二叶或三叶风机用于发电，20叶或更多叶片的风机用作水泵。

转子叶片数日与周缘速度间接相关。叶片数多的风机周缘速度低，但起始扭矩高，当风速提高时完全可以实现水泵的自动启动。二叶或三叶风机周缘速度大，起始扭矩小，即使风速合适也需要外部启动，但由于周缘速度大，使用更小、更轻便的齿轮箱即可达到发电机驱动轴所需的高转速。

目前，三叶风机占据着并网、水平轴风机的主要市场；双叶风机的塔顶质量更小，支撑结构更轻，因而成本更低。

与双叶风机相比，三叶风机可以更容易地控制惯性转矩。此外，三叶风机更具美感且噪声更低，因而更适宜用在人口密集地区，如海岸。

现有水平轴与竖直轴风机效率均可达30%~ 40%，但均需要进一步完善。水平轴风机使用螺旋桨式叶片，具有稳定的攻角，其优点是稳定性高-对振动和应力不敏感，但必须安装于塔架之上，增加了安装和维护费用，同时需要转向装置。竖直轴风机使用搅蛋器型转子，攻角变化稳定，但易产生共振导致结构破坏，其优点是无需塔架和转向装置，而且由于发电机、齿轮箱及其他设备均处于地面，安装和维护费用相对低廉。